不同类型的功率器件满足了不同工业应用环境的

2019-10-10 18:31 来源:未知

汽车行业目前正在经历一个重大的技术变革时期,这已经是个不争的事实。过去100多年里,内燃机引擎中都在使用燃油泵和活塞,而现在正在被锂离子电池、逆变器和IGBT所取代。简言之,汽车正在变得更加电子化。汽车的第一次电子化可能仅仅被看作是增加其电子含量的演练,或在适应现有的非汽车系统,最终适应汽车中的应用。然后,采用这种方法将会大大低估可能面临的挑战。在功率和电压等级方面,就目前的相似度而言,它们都与相关的工业离线应用类似。在汽车世界里,空间和重量都受到限制,而且环境也很恶劣,0ppm(ppm=不合格品个数*1000000/批量)质量至关重要,而让问题变得更加严重的是,纯电动车中的能源供应是有限的,因此效率就成为关键所在。所以,我们还不能忽略对于低成本系统的需求,要与内燃机引擎(在过去几十年里,这一技术在鲁棒性、可靠性和出色的功率密度方面进行了优化)进行竞争。这是一个新兴的市场,需要专门基于这一因素开发半导体解决方案!

总结

HEV系统中功率电子面对的挑战

超薄晶体IGBT技术,额定电压为680V,24A至600A的芯片尺寸,在-40℃温度,最低600V的BV下,能够实现良好的Vce性能。与此相配合的性能主要针对在175℃的结温下运行的器件,不止限制时间量,而且温度始终为175℃。因为具有更高的BV的缘故,更高的电压峰值可以适应系统,因此降低了对于高成本解决方案的需求,这可以限制电感,又或者,系统的确可以更快的转换,获得更多的优势,如降低电机尺寸。与器件的主逆变器的保护相关的高功率水平显然是非常重要的,对于这种高温环境下开关的短路保护性能同样也非常重要。CooliRIGBT器件能够针对性能平衡进行优化,但是一般是设计用于处在150℃,至少6μs的短路保护时间。保护特性通过芯片上的电流感应最终完成。

落合康颜认为,根据瑞萨电子的统计,客户的失效问题90%以上是由于过电压或过电流造成的损坏,特别是IGBT和MOSFET等开关器件,在开关过程中发生的失效极多。“为防止此类失效,采用适当的驱动条件,并尽力抑制PCB寄生电感。”

用在HEV中逆变器和dc-dc转换器中的功率模块和其内的功率器件是重点的性能、可靠性和成本驱动器。效率、功率密度和特定功率是一些关键性能指标。最主要的可靠性规范是热循环和功率循环。

在众多电动汽车中,需求最多的便是主逆变器,在这里,采用专门针对应用进行开发的芯片和封装解决方案至关重要。在EV发展早期,普遍采用工业“砖”型模块(这些最初是设计用于工业离线应用),因此对于汽车的功率密度以及有限结构因数的限制基本没有考虑。它们一般包括IGBT和二极管,额定电压为600V或1200V,结温最高达到150℃。在室温范围内,短路保护性能限制在6μs。在汽车世界中,一个重要的因数是工作温度范围,其最低可以达到-40℃,在更低的温度下,IGBT和二极管的BV下降,器件处理电压峰值时,潜在的会带来一些问题。为此,采用具有更高BV的功率元件将会受益,CooliRIGBT Gen 2平台便是一个示例。

技术进步与人力成本上升共同推动了工业制造升级,全球制造业发达地区都制订了相应的发展规划,例如“中国制造2025”、“工业4.0”及“工业互联网”。

混合车用功率半导体模块

功率器件发展趋势

除启动-停止功能外,当需要时,一个轻度混合系统可提高/辅助引擎功率,此外,它还从再生制动中获取能量,以便可将油耗的改进提高到15%左右。增长的功能需要更高的能耗,因此要使用高压器件。

功率器件失效往往会带来比较严重的后果。尤其在不间断电源、太阳能逆变器、电信和充电桩等工业应用中,如果功率器件在设备运行时出现故障,将可能导致多种二次故障,例如熔化、起火或者爆炸。“所以通常情况,工业系统有过压保护金额过流保护等故障检测功能,”Jon Gladish表示,依靠故障检测功能,出现功率器件失效情况时,系统可以及时切断供电,从而避免二次故障。

使用需要功率模块具有高电流密度,这也就表明着每单位电流容量具有更小的体积。器件越小,包纳其于其内的底层也就越小,结果就得到一个模块虽小但功率密度更高的模块。图2显示的是英飞凌预测的1200V器件体积的减小状况。明显,与NPT器件相对比,FieldStop器件显着缩小了体积。

工业应用对功率器件的要求

假如以完全电子模式运作车辆,则需要一个具有高压和大电流能力的完全混合系统。根据使用,完全混合系统可具有串行、并行和功率分配架构,它可将油耗减少35%。

Jon Gladish总结了5种常见的功率器件失效模式:雪崩击穿;静电放电或门极浪涌;体二极管反向恢复电流过大。可能会触发寄生BJT;长期工作在线性区,由于电流过大而导致的热失控;装配不当造成的封装损害。

时,要使其能具有期望的可靠性。比如,在某些状况,更高的器件性能会对模块的稳定性产生不良影响。从器件技术的角度讲,某些功率器件可工作于高的结温度,但该更高的结温度会在线绑定接口产生更高温度,以便减少模块功率周期的稳定性。因此,需建立一整套各个方面的器件和封装技术规范来优化性能、可靠性和成本。

面向工业设备的功率器件使用条件比较苛刻,有的应用需要24小时365天无间断运转。瑞萨电子大中国区汽车电子业务中心高级部门专家落合康彦指出,设计与研发功率器件时,必须考虑两点。“一个是损耗特性,由于无间断运转需求,如何减少器件所产生的损耗对工厂电费有直接影响。而且不同应用需要不同的开关频率,工程师需要按照实际开关频率要求,决定有限考虑的是导通损耗还是开关损耗,然后决定最佳的选择;第二是可靠性,特别是无人工厂,器件故障会直接影响到工厂运作造成损失,所以器件耐受性也是需要优先考虑。”

串行、并行和功率分配是最常用的架构。对一款特定车辆来说,混合程度和系统架构的选择重点取决于所需的功能、车辆大小、行驶年限及设定的燃油经济性指标。每一个混合系统的功率电子内容各不相同,它取决于功能、功率要求和架构。

遵循摩尔定律的数字芯片更新换代非常迅猛,相比之下,功率器件发展比较缓慢,但也在不断演进,从最早的晶闸管技术,到GTO技术、MOSFET技术,再到IGBT、IGCT或IGET,这些以硅为基材的技术,在工作电压与损耗等参数上似乎已经达到了极限。“SiC技术的兴起和成熟,给功率器件带来了变革的曙光,”杜尧生表示,提高功率密度是目前功率器件技术的主要要求,电力传动系统和电力转换系统对能效比要求都很高,“力特的SiC产品,相比传统功率器件降低了80%的损耗,几乎变成了一个理想的开关器件。”

通过创新的超声波焊接工艺和改进的布局,HybridPACK2模块的功率密度增长了120%以上。多个线连接及为了移动绑定工具分配的空间使线绑定热连接在封装内很占空间;超声波焊接则省去了该空间且速度也比线绑定工艺快。此外,线绑定的电流输送能力有限。因厚的铜终端在超声波焊接时与底层融固在一起,因此,超声波焊接的电流载运能力不受限制。更紧凑的封装还显着减少了HybridPACK2封装的自感。对全混合使用来说,因系统电压会高于400V,且大电流会产生很大的dI/dt,因此低的寄生感应很主要。

安森美半导体Jon Gladish强调安全始终是功率器件应用的主要考虑因素,尤其是高电压、大电流的大功率器件。“UL认为,高于60V的电压接触到人体,将造成伤害,甚至会导致死亡,所以大功率器件在应用时,必须要充分考虑安全设计,满足爬电距离和电气间隙要求是高压器件应用安全的首要条件。”高压引脚周围的灰尘和异物也存在危害,功能缺陷更要注意排查。

混合动力汽车的分类

大功率器件

串行、并行和功率分配是最常用的架构。对一款特定车辆来说,混合程度和系统架构的选择重点取决于所需的功能、车辆大小、行驶年限及设定的燃油经济性指标。每一个混合系统的功率电子内容各不相同,它取决于功能、功率要求和架构。

“工业设备和自动化产线对功率器件有绝对的依赖,这些设备通过功率器件实现能量转换,功能动作的实现也是通过控制功率器件来完成。”力特公司(Littelfuse)技术应用经理杜尧生认为,现在对功率器件的要求越来越高,高效率、低功耗、小尺寸,以及容易控制和方便应用,都是工业应用对功率器件的要求。

通常来说,传统的NPTIGBT在导通损耗和开关损耗特征间有一个平衡。假如导通损耗减少则开关损耗增长。英飞凌的沟道FieldStopIGBT及配套的EmCon二极管技术与传统器件相对比,在增长芯片电流密度的同一时间减小了导通和开关损耗。通过使用一个场截止(fieldstop)层来得到更低损耗,该层减小了器件厚度并减少了通过器件的压降。图1显示了平面和沟道器件所用不同IGBT技术的截面层。

智能化

表1显示了三种模块在性能和可靠性方面的对比据得知,它们分别是:用在工业可变速驱动的标准半桥62mm模块、用在轻度混合的六单元HybridPACK1模块和用在全混合的六单元HybridPACK2模块。 在所有三种模块内,都使用了相同的600V沟道FieldStop器件技术,但使用的封装技术不同。62mm和HybridPACK1模块达到的器件电流是400A(每开关各有两个200AIGBT和两个200A二极管),而HybridPACK2模块的电流是800A(每开关各有四个200AIGBT和四个200A二极管)。用在62mm、HybridPACK1和HybridPACK2模块功率和信号热连接的封装技术分别使用的是:焊接、线绑定和超声波焊接。通过布局改良及使用线绑定的功率和信号热连接,HybridPACK1模块的功率密度已比62mm模块提高了50%。尽管寄生感应增长了50%,但对600V器件来说,这并非一个重点问题,由于在轻度混合使用中最坏的系统电压状况在200V以下。

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