汽车功率模块应用需求
作者: 来源:中国电子商情
发布时间:2015-04-23
当前大力发展全混合电动汽车/电动汽车（(H)EV）的原因有许多。其中多数原因都直接或间接涉及环境问题。高企的油价和外汇储备限制，加上迫切的二氧化碳减排要求，迫使世界各国政府纷纷颁布新法规。在北美，从2016年起，新生产汽车的燃油经济性必须达到35英里/加仑，在欧盟，到2020年，碳排放量必须降至95克/公里。对所有汽车制造商而言，满足这些法规要求的唯一途径是，在现有车型之外，推出全混合电动汽车/电动汽车，而此类汽车将意味着采用新的电力电子系统的全新架构。此外，高压电池的问世，将允许以更高电压驱动电流应用（即，空调压缩机或水泵/油泵），以便降低成本，提高效能。图1所示为标准全混合电动汽车/电动汽车架构。显而易见，电力电子系统将发挥举足轻重的作用，其中，功率模块的作用尤为突出。
图1 电动汽车要求全新的机动车架构
全混合电动汽车/电动汽车中的主要电力电子系统
1、主逆变器
通常，三相逆变器由6个开关组成，其中每个开关都具备一个反并联二极管。在轻度混合电动汽车中，输出功率范围在5kW～20kW之间，而在全混合电动汽车和纯电动汽车中，输出功率范围则高达30kW～100kW。开关频率受限于半导体损耗，典型值为8kHz～16kHz。因为电动汽车的电池电压不同，电力电子系统的工作电压值不尽相同，确定其最优值，正是当前讨论和研究的一大主要课题。通常，所确定的最优值范围是120V至700V，这意味着需要采用不同的IGBT器件。
2、升压DCDC
这是一个用于升高高压电池的可选系统设备。可用不同拓扑实现，但出于成本原因，采用IGBT器件的半桥配置最受青睐。通常输入电压工作电压范围为120V至400V、安装在电池侧，比能双向控制，而逆变器侧的电压则高达700V。
3、降压dcdc变换器
这是一个专门设计用于将高压电池的高压电，转换至14V电源系统为整车控制系统供电。该转换器可采用不同拓扑：基于全桥和半桥的拓扑，带或不带谐振开关或者零电压/零电流开关。同样地，也可以使用不同功率器件：低压OptiMOS MOSFET、高压CoolMOS MOSFET和高速IGBT等。出于安全原因，需要在输入端和输出端之间实现电隔离。一般而言，该等变压器是单向的（电流仅从高压电池流向低压电池），并且功率范围在1kW到3kW之间。
4、辅助系统
混合动力汽车和电动汽车都要靠高压电池系统，才能得以驱动高峰值功率系统以及高能耗装置。在常规14V电源系统中，这两种负载均受限于线束电流承载能力、接头以及14V电池本身的功率和蓄能能力不足。
此类装置的例子包括，空调、油泵、冷却泵、升压电路及电动动力转向装置和取暖器等。这些装置的功率从1kW到6kW不等。由高压系统驱动这些应用，可避免任何电流反馈回14V电源系统。在14V电源系统中，负载瞬变会不利后果，如ECU重启、脉动，以及舒适性功能性能下降等，不胜枚举。
此外，由于所需电流强度降低，电缆粗细以及电机含铜量也可相应地减少，从而有助于减轻系统重量和降低系统成本。
5、电池充电器
该系统将电池恢复至满电量——只要将插头接至电网，即可进行充电。一般而言，车载充电器（作为一个系统集成到汽车中）是功率范围为3kW～4kW的单相装置。就低压直流-直流系统而言，必须实现电隔离，并且在大多数此类系统中，电流都是单向流动的。当前市面上的电池充电器所采用的拓扑可谓天差地别；然而，其中大多数都采用了图2所示架构。
图2 一般充电器框图
在所有要求中，有三个最值得重点指出：能效、成本和可靠性。然而，这些要求的重要性究竟几何，在很大程度上取决于最终应用。譬如，对于用于主逆变器的功率模块而言，可靠性至关重要，而对于用在空调压缩机中的功率模块而言，成本则或许是最重要的因素。因此，重要的是针对不同应用，设计特定的功率模块。
能效
为充分利用电池的可用电量，同时最大限度地降低成本，有必要最大限度地提高牵引逆变器和辅助变压器的能效，同时降低总系统成本。得益于功率损耗降低，可以使用更为小巧的逆变器，从而降低散热要求。办法是借助针对不同汽车应用的确切需求而优化的前端（功率半导体）和后端（功率模块）技术。
1、前端
传统上，IGBT可选用于开关频率低于20 kHz左右的应用，而MOSFET则因其优异的开关速度，适用于开关频率更高一些的应用。不过，新的芯片技术的发展，如超结MOSFET（如CoolMOS）和高速IGBT，以及宽带隙半导体的问世，如SiC、GaN、SiC xFET等，让硬件设计人员可以通过各式各样的途径来优化不同电力电子系统的能效、重量和空间。
（a）
（b）
图3 标准IGBT3与高速IGBT3（a）以及高速IGBT3与CoolMOS（b）开关波形之比较
如图3a所示，标准IGBT3实现了最优Vce,sat电压，因而其导通损耗很低（如，例中器件在30A直流电流和Tj=150°C条件下为48W）。归功于这样低的导通损耗，标准IGBT3非常适用于开关频率较低（低于20kHz）的驱动应用以及PTC取暖器应用。
由于不得不提高开关频率，如在开关模式电源中，以减小感应器外形尺寸，因此，相比于开关损耗，传导损耗有时可以忽略不计。通过改变IGBT3背面掺杂区外形，可大幅提高开关速度，打造出高速IGBT3器件。图3a中的比较表明，关断损耗降低了60%。然而，仅当开关损耗占总功率损耗的较大比重时，使用该器件才是可取的，因为其导通损耗亦随之增加了20%左右。
不同于在导通状态下性能类似于PN结的IGBT，MOSFET的性能类似于欧姆电阻。在大电流和高结温条件下，这种性能会造成较高导通损耗（譬如，图3b所示CoolMOS器件在30A直流电流和Tj=150°C条件下为135W）。然而，CoolMOS的开关速度甚至比高速IGBT3系列还要快，因而CoolMOS是适用于高开关频率、低电流应用的卓越之选，如2kW以下辅助直流/直流变压器。
然而，当开关频率为100kHz时，使用MOSFET的一般规则，却不再适用。哪怕是在100kHz应用中，也必须始终细致分析功率损耗占比，同时考虑系统成本，选择适合的CoolMOS或高速IGBT3。
2、后端
随着器件不断推陈出新，开关速度（电流换向斜率）与日俱增，因此，必须考虑足以满足要求的封装技术，以充分挖掘日益先进的硅技术带来的益处。譬如，通过如下公式，可以轻松计算出关断电压峰值：
（1）
要降低开关损耗，必须提高电流换向斜率，因此，降低关断电压峰值的唯一途径是，降低杂散电感。
对于主逆变器应用而言，优化封装，如，从HybridPACK1升级为HybridPACK2，可使杂散电感从30nH降至14nH。不久的将来，还可借助新的贴装技术，如PressFIT连接，进一步将杂散电感降低几nH。
对于辅助驱动器和dcdc变换器，目前主要使用分立式元器件（如TO-247封装）。单个半桥的典型杂散电感约在60nH到100nH之间（实际值在很大程度上取决于客户的特定电路板布局）。
图4 采用半桥配置的EASY 1B功率模块简化模型，包括带状线连接至直流母线电容的电路板，以模拟杂散电感（未显示直流链路电容）
如图4所示，采用优化引脚布局的功率模块解决方案，可简化电路板布局设计。例中功率模块经专门设计，将带状线连接至直流母线电容。现在，TO-247封装分立式半桥的杂散电感可从60nH～100nH，降至20nH以下。模拟采用了EASY1B半桥模块的单相桥臂，包括引脚和电路板。
可靠性
功率模块温度循环（主动和被动）会触发老化机制，如图5所示。造成该等故障的主要原因是，各区域和各层发热不同，以及功率器件所用材料的热膨胀系数不同。典型磨损机制是：
Ÿ 焊接线脱落
Ÿ 芯片焊料分层
Ÿ 基板与DCB之间的焊料开裂
图5：功率模块老化机制
为检验功率模块可靠性，进行了温度循环试验（在不通电的情况下改变环境温度或壳温）和功率循环试验（通过施加负载电流快速改变温度）。
温度循环试验：在温度循环试验中，借由环境温度（TST：热冲击试验）或结温（TC：热循环试验）变化，来改变功率模块的温度，而不施加电应力。执行这项试验的主要目的是，评价焊接点的使用寿命，以及评价器件对贮存、运输或使用过程中可能遭遇的温度突变的耐受性。
功率循环试验：功率循环（PC）试验主要用于确定半导体器件对内部半导体晶粒和内部接头的功率耗散循环、造成的热应力和机械应力的耐受性。周期性施加和撤销负载电流，导致温度骤变时，就会出现这种情况。功率循环试验对高温工作寿命具有代表性。
元器件的使用寿命由可靠性要求决定，而后者则取决于其工作环境和工作条件。研制了一种基于功率损耗计算和散热建模的方法，用于计算整个驱动周期内的温度变化。借助这些计算，可以评价主动热应力。将热应力转化为可靠性试验数据，便可预测使用寿命。
在计算功率模块可靠性时，有必要知道半导体瞬态结温以及系统焊点温度。可根据系统材料属性和物理尺寸，利用三维瞬态有限元模拟，推导出R’s和C’s的值，抑或，取实测值。
通过建立IGBT温度散热模型，可以计算出特定驱动周期负载条件下的二极管和焊点温度。导致焊点和焊接线老化的主要参数并非温度本身，而是温度波动。因此，模拟中实现了一个自动算法，以算出温差ΔT。然后，计算出在被动式循环和主动式循环中，这些ΔT的出现次数。
最后，必须将负载循环，转换为试验循环。
通常，焊点机械故障模型（材料疲劳或材料变形）与应力周期或温度变化有关。以Coffin-Manson模型为蓝本，对随设备开启或关闭而反复出现的温度循环、导致的焊料及其他材料开裂加剧进行了成功建模。这个常用等式清楚表明，当焊接点温度变化范围较大时，材料疲劳将导致故障提前发生。
在焊接线加速老化试验计算中，负载条件下的任意参数集（电流I、结温Tj、工作时间ton和温度波动ΔT）与已知可靠性试验中的相当循环数量之间的关系，如等式2所示。
（2）
根据前面的考虑，对三种类型的模块做了比较：
Ÿ 不具备贴装在冷却器上的基板，而是借助导热膏进行散热的模块
Ÿ 具备贴装在冷却器上的平板基板，且借助导热膏进行散热的模块
Ÿ 采用pinfin散热器直接散热的模块：基板直接浸泡在冷却剂中
图6所示为，在代表15年使用寿命的特定FTP 72驱动周期内，不同类型模块的相当试验循环比较。
图6 在代表15年使用寿命的特定FTP 72驱动周期内，不同类型模块的相当功率循环和散热
主动式循环的影响可忽略不计，因为较之于被动式波动的高T值，工作期间焊点的温度波动极低。
根据前面的考虑，可以得出以下结论：
Ÿ 散热性能越好（pinfin散热器），可靠性要求越低
Ÿ 就散热循环而言，采用pinfin散热器的模块所需循环数量，仅为采用基板和导热膏的模块所需循环数量的66%
Ÿ 使用基板可显著降低对模块功率循环能力的要求
Ÿ 较之于采用pinfin散热器的模块，不具备基板的模块需要满足对4倍功率循环数量的要求
Ÿ 由于每种类型模块所需相当循环数量各不相同，因此，可能性能更加出色的模块可以满足应用要求，但其他模块却不能，哪怕两种模块在可靠性试验中实现了相同数量的循环
模块和系统成本
为充分利用主逆变器应用中的现代化半导体，需要采用低电感设计和直接散热技术。低电感可降低半导体过压和开关损耗，并且允许使用快速半导体元器件。直接散热意味着直接将功率模块的底端浸泡到冷却剂中，而无需涂抹导热膏，从而可大幅降低系统成本。一方面是散热器成本的直接节省，另一方面则是因缩小了实现相同功率所需芯片面积，而实现的间接节省。对于任何应用，关键在于pinfin基板具备优异的热阻抗，允许装配到散热器中，甚或在xEV应用中，装配到电机外壳内。
辅助系统包含大量小功率装置，因而需要采用不同于主逆变器的方法。典型装置包括：空调压缩机、取暖器、油泵、高压电池与12V之间的直流/直流变压器、车载电池充电器和升压电路及电动动力转向装置EPS。这些装置的功率从1kW到6kW不等。与牵引（电机/发电机）逆变器相反的是，这些小功率装置不需要基板。它们要求能效、灵活性和成本的适当组合。这些封装配备了适用于电源和控制终端的压合连接器，以降低装配成本和缩短装配用时。压合连接（pressFIT）可在模块引脚与电路板之间实现非常可靠的冷焊连接，特别适用于无引线封装，既允许将模块贴装到电路板的焊锡面，亦可将之贴装到电路板的元器件面。
结语
本文概要介绍了车用功率模块及其在能效、可靠性和成本等方面的应用要求。其中，首先介绍了不同的前端技术，以及取决于系统性能和成本，如何进行选择。此外，还阐释了杂散电感对系统能效的影响，以及新技术如压合连接（pressFIT），如何帮助降低杂散电感。接下来，分析了封装和互连技术，描述了典型磨损机制和用于保证模块在应用中的可靠性的试验。除此之外，文中指出了模块的哪些特性可以延长其使用寿命。随着新材料（SiC和GaN）的开发，硅基功率器件将得到进一步完善（单元设计和晶圆厚度）。后端技术进步将集中于超低电感设计和更高可靠性，如XT。
