JC-K2系列电动汽车IGBT模块

　　1 引言

　　为了有效达到节能和环保的目的，汽车技术发展正朝车辆节能化、能源多元化、动力电气化、排放洁净化等方向积极推进，发展节能汽车、代用燃料汽车与电动汽车。2009年国家正式公布了《汽车产业调整和振兴规划》，规划新能源汽车发展的短期目标为电动汽车产销形成规模。同时，以电动汽车为首的新能源汽车也成为“十二五”期间的重点扶持对象。在此背景下，新能源汽车，尤其是电动汽车成为国内乃至世界各汽车公司的研发重点，很多公司已向市场推出商业化的电动汽车。

　　电动汽车中需要用到大量的绝缘栅双极晶体管(IGBT)，IGBT是电动汽车中的核心器件之一，是动力系统的重要组成部分。汽车上工作条件的严酷性和复杂性给传统的IGBT模块技术带来了极大的挑战。

　　2 JC-K2系列的工作原理

　　本文所指的电动车包括混合动力(HEV)和纯电动汽车(EV)。以HEV为例，其主要电气系统如图1所示。IGBT主要应用于以下两个子系统中：

　　1) 电动控制系统：大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机;

　　2) 车载空调控制系统：小功率直流/交流(DC/AC)逆变，使用电流较小的IGBT和FRD。

　　电动控制系统的IGBT需要处理的电流大，可靠性要求高，是本文讨论的重点。

　　电动控制系统的原理如图2所示，主要是通过脉冲宽度调制(PWM)的方式控制IGBT开关，将电流从DC转换到AC(电池到电机，驱动电机)或者从AC转化到DC(电机到电池，刹车、下坡时能量回收)。

　　对于HEV和双模(DM)车型来说，除驱动电机外，另外还有一个发电机(如图3所示)，可以由汽车的发动机带动其发电，然后通过IGBT模块AC/DC转换后向电池充电。在DM车型中，该发电机还可以充当驱动电机的作用。

图1 HEV的电气系统图

图2 电控系统原理图

图3 DM动力系统布局

　　3 JC-K2系列IGBT模块的参数及可靠性要求

　　电动车中的电池电压较高，一般在200V以上，电机功率也较大，要求IGBT的额定电压在600V~1200V，额定电流300A以上。以比亚迪F3DM为例，电池正常工作电压为330V，刚充满电后，电池电压会达到400V，IGBT工作过程中电压过冲会达到800V以上。驱动电机功率为50KW，正常行驶时，IGBT输出电流在200A内。输出电流最大的工况是急加速，电流峰-峰值在1500A以上(如图4所示)。综合考虑以上条件，在F3DM上最终采用了1200V/600A 额定电压电流的IGBT模块(如图5所示)。

图4 电动车急加速工况下的电流波形

　　除前面提到的电流电压规格要求外，电动汽车用IGBT还需满足以下要求：

　　1)由于采用多个IGBT芯片并联，需要IGBT的VCEsat具有正温度系数;

　　2)在电机驱动电路里，IGBT的开关频率不是太高，一般在20KHz以内。另外由于工作电流较大，系统复杂，需要选择饱和电压(VCEsat)低，关断特性较“软”的IGBT;

　　3)在实际工作中，IGBT存在负载短路的风险，因此要求IGBT有较好的短路耐量;

　　4)考虑到汽车车仓里温度较高，IGBT的最高可工作结温Tj不能低于150℃;

　　5)RBSOA要大，具有一定的雪崩耐量;

　　6)耐大电流冲击能力强，散热好;

　　7)需要极低的EMI，避免干扰驱动控制电路和其他外电路。

　　电动汽车用功率器件可靠性标准可以参考AEC-Q101，在温度循环、功率循环、热冲击、机械振动及冲击、高低温存储、高低温加电偏置等方面均有严格要求。表1是一些企业提出要达到的要求：

　　以上部分要求给电动车用功率器件带来了较高的挑战，传统的工业级IGBT模块设计及制造工艺技术，难以胜任汽车级的要求。

　　4 电动汽车中IGBT模块的失效分析

　　IGBT功率模块在电动汽车应用时失效的原因通常有以下几个：

　　1)过热烧毁

　　IGBT模块工作的环境温度高，以HEV和DM车型为例，动力驱动部分，包括IGBT、电机、引擎等都在汽车前车仓内。引擎在工作时，发热量巨大，如果是夏天，前车仓内的温度包括给IGBT模块降温的冷却水温度可能达到70℃以上。因此，在一些大电流工作情况下，如果散热不好，过温保护不及时，IGBT模块有可能因过热烧毁;

　　2)过流烧毁

　　电动车在行驶过程中，由于驱动受干扰异常，或则电机堵转、卡死等异常造成驱动电机的IGBT瞬时电流非常大，如果IGBT抗闩锁能力或者短路耐量不高或者过流保护不及时，可能发生烧毁;

　　3)机械振动损坏

　　IGBT功率模块在汽车应用和其他工业应用的一个很大不同在于，汽车行驶的路况复杂，速度多变，因此，IGBT模块可能要承受数十g的加速度振动和冲击。这种振动对于模块结构和各引线端子的坚固性是一个很大的考验。

　　传统IGBT模块的电极基本都是焊接到DBC上后引出。电极在安装过程中需承受一定的应力，在汽车运行过程中也会一直承受机械冲击和震动，因此，焊接在DBC上的电极很难满足此应用的要求。

　　4)高、低温循环损坏

　　IGBT功率模块是一个多层结构(如图6所示)，层与层之间基本靠焊接实现，不同层的材料不同，很难做到热膨胀系数的完美匹配;汽车的应用环境温度，模块工作和停止温度都可能相差巨大，这就带来了严重的热冲击和高、低温循环的失效问题。由于材料的热膨胀系数不匹配，原本焊接良好的焊接层，在经过一定次数的冷热循环后会发生严重分层，导致散热及通流能力下降，器件烧毁。表2给出了普通的工业级IGBT模块在温度循环后的焊接分层情况。

图6 IGBT模块内部结构示意图

图7 IGBT模块中常用材料的热膨胀系数

　　1) 功率循环引起键合线失效

　　汽车在运行过程中，频繁的启动和加速会带来对芯片表面邦线的巨大冲击，脆弱的邦线点会较快失效。功率循环带来的失效还来源于芯片上Al线和Al金属层和Si热膨胀系数不一致，在功率循环过程中发生Al原子重构导致Al线断裂，如图8所示。

图8功率循环导致键合线失效

　　IGBT功率循环的寿命可以通过式(1)来模拟：

　　上式中，Nf是可承受的功率循环次数，kB是波尔兹曼常数，Ea是激活能，A和α是常数，Tm是功率循环时的中间温度。

　　5、结束语

　　电动汽车中IGBT模块占整车成本近10%。IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用，是电动汽车的核心技术之一。电动汽车的特殊需求，对IGBT模块技术提出了更高的要求。电动汽车产业的发展，为IGBT模块件提供了机遇和挑战。只有解决好这些问题，才能更好的促进电动汽车的商业化进展。