引言
純電動汽車和混動汽車市場伴隨著全球環(huán)保意識的提高而增長。功率半導體模塊已經(jīng)成為決定電動汽車性能的重要組成部分。特別是近年來,隨著市場的增長,動力系統(tǒng)的多元化要求大功率、高功率密度和大容量的功率模塊。
為了響應汽車市場對功率模塊的基本要求,如大功率、高可靠性、緊湊性和高效率,被稱為大功率J1系列新型高功率IGBT模塊被開發(fā)出來。
大功率J1系列IGBT模塊采用6合1內(nèi)部電路結構、直接主端子綁定結構(DLB)、直接冷卻結構、第7代存儲載流子溝道型雙極晶體管硅片技術(CSTBTTM)和RFC二極管硅片技術。
這些技術的最優(yōu)化結合成功地提高了致力于電動汽車應用的大功率J1系列IGBT模塊的性能。大功率J1系列模塊的外觀和內(nèi)部電路結構如圖1和圖2所示,其尺寸以及相應的額定電流和電壓規(guī)格如表1所示。
封裝技術
相對于三菱電機之前推出的J系列和J1 系列汽車級IGBT模塊,進一步提高電壓電流能力、應用于電動汽車的帶有散熱鋁柱的大功率J1系列IGBT模塊內(nèi)部結構如圖3所示。
此類新6合1模塊的幾種典型封裝特征包括高可靠的直接主端子綁定結構、緊湊型尺寸、輕重量和大功率處理能力。大功率能力模塊(如650V/1000A和1200V/600A)內(nèi)含的大尺寸的引線和功率端子增大了其封裝尺寸,通常大封裝比小封裝具有更大的自感,而這對于在高di/dt條件下的大功率應用是非常危險的問題。
然而,通過采用優(yōu)化的內(nèi)部功率引線和硅片布置可以消除P-N端子間的磁通,新開發(fā)的大功率J1系列模塊成功地實現(xiàn)低自感。圖4給出新開發(fā)的大功率J1系列對比傳統(tǒng)設計的電感仿真結果。
與更傳統(tǒng)封裝的產(chǎn)品(J系列T-PM)相比,新的大功率模塊的封裝尺寸減少了50%(如圖5所示)。大功率J1系列模塊尺寸減少是優(yōu)化的冷卻鋁柱結構結合高效的第7代CSTBTTM/RFC二極管硅片技術的結果。
除了冷卻鋁柱比冷卻銅柱具有較低的導熱能力外,選擇鋁制冷卻柱對于EV/HEV應用來說是有一些優(yōu)點的,其中,最顯著的優(yōu)點是直接暴露于冷卻劑下鋁的抗腐蝕能力以及與采用J系列6合1 IGBT模塊的逆變器方案相比時重量可減少70%(如圖6所示)。
鋁不像銅那樣易受電化學腐蝕,如果銅柱被使用,就需要用厚的鍍鎳層來防止被腐蝕。另外,鋁的輕量化有助于減少EV/HEV的電費和燃料消耗。
另外,大功率J1系列在導熱路徑上消除了兩層,一層是散熱基板和底板之間的焊接層,另一層是底板和水冷散熱器之間的硅脂層。與傳統(tǒng)的J系列T-PM逆變器方案相比,導熱能力提高了20%(如圖7所示)。同時,層數(shù)的減少也有助于溫度循環(huán)能力的改善。
圖5、圖6、圖7所示的方案對比是基于應用于三相EV/HEV馬達驅動的相同電壓/電流等級的IGBT模塊。
采用最新的硅片技術的試驗結果
結合水冷散熱器,在如下條件下通過實驗驗證了大功率J1系列650V/1000A IGBT模塊的功率處理能力:
電池電壓=450V,PWM開關頻率=5kHz/10kHz,冷卻水溫度(Tw)=65℃,冷卻水流速=10L/min,熱阻IGBT-Rth(j-w)取最大值,IGBT特性參數(shù)取典型值。
類似地,大功率J1系列1200V/600A IGBT模塊的實驗條件如下:
電池電壓=600V,PWM開關頻率=5kHz/10kHz,冷卻水溫度(Tw)=65℃;冷卻水流速=10L/min,熱阻IGBT-Rth(j-w)取最大值,IGBT特性參數(shù)取典型值。
在這些應用條件下,650V/1000A模塊在其最高運行結溫低于150℃的情況下的最大逆變輸出電流可超過600Arms(相應逆變器輸出功率可超過120kW)。而1200V/600A模塊在其最高運行結溫低于150℃的情況下的最大逆變輸出電流可超過400Arms(相應逆變器輸出功率可超過120kW)。
這些實驗結果如圖8和圖9所示。
如此有吸引力的良好結果是通過采用最新的第7代CSTBTTM和RFC二極管硅片技術而得到的。
IGBT技術的進步一直受到對更高功率密度和更高效率的持續(xù)需求的驅動,這反映在通過采用改進內(nèi)部結構來達到優(yōu)化眾所周知的飽和壓降VCE(sat)vs. 關斷損耗Eoff折衷性能之目的的逐代IGBT硅片性能的進步上。
通過在IGBT硅片結構上增加額外的載流子層,CSTBTTM硅片能通過同時減少飽和壓降和關斷損耗來達到更高的效率。
第7代IGBT 硅片進一步優(yōu)化CSTBTTM的飽和壓降VCE(sat) vs.關斷損耗Eoff折衷性能,如圖10所示,它歸納了新一代IGBT硅片性能的持續(xù)改進。考慮到J1系列創(chuàng)新型封裝設計導致的超緊湊性(功率模塊體積小于0.68升),通過采用第7代IGBT硅片來實現(xiàn)超高功率密度是顯而易見的。
結論
已開發(fā)的新型高功率密度IGBT模塊“大功率J1系列”被用來滿足逐步發(fā)展的電動汽車和混動汽車市場要求。
大功率J1系列IGBT模塊做到了性能高、自感低、封裝緊湊和重量輕,這些有吸引力的特點是通過結合優(yōu)化的封裝結構技術和最先進的硅片技術(第7代CSTBTTM 和RFC二極管)來實現(xiàn)的。
總而言之,大功率J1系列IGBT模塊能實現(xiàn)寛范圍逆變器運行,從而滿足不同種類的電動汽車和混動汽車的應用要求。
