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功率技術/新能源  

電動車的功率半導體模組設計

上網時間: 2014年11月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EV  二極體  開關損耗  封裝 

作者:Benjamin Jackson,IR汽車策略行銷與業務開發資深經理

汽車產業正經歷一個重大的技術變革時期。過去100多年來,內燃機引擎中均使用燃油泵和活塞,如今正被鋰離子電池、轉換器和IGBT所取代。簡言之,汽車正變得更加電子化。汽車的第一次電子化可能僅僅被看作是增加電子含量的運用,或是調整現有的非汽車系統(如高壓工業驅動器)使其適用於汽車。然而,這種看法將會過度低估可能面臨的挑戰。儘管功率和電壓等級均類似於工業離線應用,但這也僅著眼於相似層面。

在汽車世界,空間和重量都受到限制,環境也很惡劣,0ppm品質至關重要,但讓問題變得更加嚴重的是純電動車(EV)的能源供應有限,從而使效率成為關鍵所在。所以,我們不能忽略對於系統的低成本要求,而且還必須與內燃機引擎競爭——過去幾十年來,這項技術已經在強韌性、可靠性和更出色的功率密度方面進行了最佳化。這是一個新興的市場,需要專為這項因素開發的半導體解決方案。

在此過程的起點就是矽晶,特別是為了開發可因應眾多電動車最主要的需求——主轉換器。在(H)EV發展早期,普遍採用工業‘磚’型模組(這些最初是設計用於工業離線應用),因此很少考慮到汽車的功率密度以及有限外形等結構限制。通常包括包括IGBT和二極體,額定電壓為600V或1200V,結溫最高達到150℃,在室溫範圍內的短路保護性能限制在6us。在汽車世界中,一個重要的因素是作業溫度範圍,最低可以達到-40℃,因此當IGBT和二極體的擊穿電壓(BV)下降至更低溫度,在處理電壓峰值時可能導致潛在問題。

為此,最好採用具有更高BV的功率元件,例如CooliRIGBT Gen2平台。這種超薄晶片的IGBT技術額定電壓為680V,晶片尺寸從24A至600A,可在-40℃溫度時實現良好的Vce(on)性能以及最低600V BV下。與此搭配的性能主要針對在175℃結溫下執行的元件,但並不像其他技術一樣限定時間,而能夠持續在175℃。在元件主轉換器保護中所涉及的高功率級顯然非常重要的,因為在高溫環境下對於開關的短路保護性能同樣也十分重要。CooliRIGBT元件能夠為性能平衡最佳化,但是一般設計用於在150℃下至少6us的短路保護時間。其保護特性透過晶片上的電流感應來實現。圖1顯示新IGBT平台的一些特色。

CooliRIGBT和CooliR二極體特性
圖1:CooliRIGBT和CooliR二極體特性

為了確保最佳的系統效率,必須採用一個適當的二極體與IGBT搭配。圖1還介紹了CooliRDIODE Gen2,這是一款超薄的680V超快速軟體恢復二極體,提供了無振鈴性能。Err和Vf根據應用進行權衡,很重要的一點是瞭解在空調應用中平衡Err和Vf將會與主轉換器的需要有所不同。最終,24A至600A的二極體系列都根據典型的應用,在每個電流級實現最佳化。

近年來,對於稀土金屬供應及成本的關注不斷增加,促使馬達廠商不得不尋求替代解決方案。馬達變得更小型、更輕巧,而且還需要15-20kHz的頻率範圍(傳統頻率為5-10kHz),這種情況現在變得越來越普遍。因此,這需要具有高速度開關性能的優異IGBT和二極體,以確保開關損耗不會變得無法管理。更高的頻率還意味著必須把關注點放在寄生電感、特別是封裝上面。

在功率半導體的早期,對於研發投入大量資金的關注焦點在於提高晶片性能。隨著半導體技術變得越來越好,關注的重點也開始轉移到封裝上面。封裝畢竟是影響系統的一個因素——無論是電子還是散熱方面。圖2顯示封裝可對系統產生的影響——基本上,如果採用了較差的封裝,就算是優異的半導體元件所能展現的價值並不多。

半導體封裝對於功率電子系統的影響
圖2:半導體封裝對於功率電子系統的影響

成本、可靠性以及電子與熱性能都受到封裝的直接影響。但是封裝的另外一個特性也變得越來越重要——即外形因素。由於OEM推動功率、效率、可升級性和可靠性要求的提升,因此,成本、重量、尺寸和電感都被要求降低。

功率電子整合在馬達和製冷設備中的能力日益提高,從而帶來更大價值。傳統的電源模組通常只能為緊密型機電整合提供非常有限的範圍,而且確實如果選擇了這種解決方案,客製化電源模組將會很快地變得更昂貴且缺乏彈性。分離式元件一直被認為難以用於此功率級,或者真正可用的解決方案根本無法處理足夠的功率。如今,由於更緊密整合電子元件與機械元件的需求增加,最初被棄用的‘分離式’途徑現在被主轉換器重新加以利用。

目前量產中的一種解決方案是採用Super TO-247封裝。搭載一個120A IGBT和二極體的AUIRGPS4067D1元件可實現一款滿足30-80kW功率級主轉換器的可升級方案。與傳統TO-247封裝(如圖3所示)相較,專利的Super TO-247封裝具有一些獨有的特性:首先是採用一個夾子將元件附著在散熱器上,除去標準TO-247封裝上的螺絲孔,使得封裝內部的空間最大化,以容納最大可能的晶片。為了與晶片的大電流處理性能相配置,特殊的切角接腳實現了比傳統TO-247封裝更高30%的橫截面積,因而提高了電流處理性能,並且使元件執行溫度更低,以及存在更少寄生電感。切角橫截面同樣可以使元件安裝到標準TO-247封裝中。在封裝中,接腳之間的溝槽增加了爬電距離。最後,符合AEC-Q101的元件還得承受嚴苛的最後測試作業,包括正方形RBSOA和100%箝位電感負載測試。

專利型Super TO-247封裝的優勢
圖3:專利型Super TO-247封裝的優勢

越來越多客戶希望在應用中降低平行的IGBT和二極體數量,因此要求大面積晶片解決方案。由於最新的IGBT和二極體技術基於超薄晶片技術,因而要告別像Super TO-247這種傳統分離式封裝時,在建構、處理甚至測試半導體元件時就會充滿挑戰。

因此,可容納大型IGBT和二極體晶片的分離式封裝極具價值,它們都經過測試且易於安裝。CooliR2DIE 就是目前正開發的解決方案之一。DBC封裝中包括一個680V、300A IGBT和一個二極體對,每個晶片都有焊接的前端金屬表面處理。圖4顯示CooliR2DIE封裝概念。

CooliR2DIE封裝
圖4:CooliR2DIE封裝

整個無鉛CooliR2DIE都是完全動態供應並經過靜態測試,達到其捲帶封裝的額定電流。這使客戶可在已搭載焊盤的基板上採用標準取放機器,處理300A的超薄IGBT和二極體產品。該元件回流到基板,取代了通常用於打造大功率模組的線鍵合步驟;完全省去線鍵合,提高了可靠性和良率,並且降低了成本、寄生電阻和電感。這些元件可採用兩種封裝版本(正向封裝和覆晶晶片),在一個單層基底上形成非常緊密的半橋佈局,而無需複雜的佈局模式(如圖5所示)。

採用CooliR2DIE的緊密型半橋建構
圖5:採用CooliR2DIE的緊密型半橋建構

事實上,封裝兩端上的電子連接甚至還可以允許封裝作為匯流排,使用一些能夠快速升級的創新型轉換器佈局,如圖6所示。

採用CooliR2DIE的可升級轉換器設計
圖6:採用CooliR2DIE的可升級轉換器設計

將可焊接前端金屬增加到晶片上,意味著晶片可以在兩面進行焊接,因此去除了對於焊線的需求。這同樣還有一個優點,釋放出了傳統用於線鍵合晶片頂部空間——而現在這種空間適用於冷卻。由於具有對元件兩面進行製冷的性能,可以將電流處理性能提升50%,或者確實降低相似工作點的晶片尺寸,並進而降低成本。如果無需雙面冷卻,那麼僅僅的增加一個頂端的散熱量就可以證明在提高組裝散熱性能方面非常有效,進而可協助提升短時間峰值電流能力。

省去線鍵合不僅可簡化生產並提高冷卻選擇,同時還可以增強電子性能。採用CooliR2DIE封裝的600A半橋模組已經建構起來,展示了低於12nH的迴路電感,允許元件可以更快切換,限制了電壓過衝並提高效率。最終,這種無焊線封裝概念具有極低的封裝電阻,約比傳統線鍵合組裝更低0.5mΩ。在一個大的電源系統上,如(H)EV的主轉換器上,半毫歐姆看起來像是一個無關僅要的小數據,但事實卻並非如此。由於所涉及的電流非常高,因此,在400A的電流下,節省0.5mΩ的電阻可以減少80W功耗良費。在電阻中所節省的是提高效率的一個積極步驟,最終並提升了汽車續航力。

起初看似過於複雜,甚至可能沒有必要談及整合功率電子和機械組裝。但是,達到機電整合的更高層次,不僅在更小型、更輕便和更高效率汽車方面對於終端客戶有益,同時也為系統級上開啟了令人關注的潛在可能,可提高電子性能,以及實現與競爭對手產品的差異化。透過提供針對汽車應用的最佳化晶片,在提供傳統模組中所有電子和散熱性能的封裝中,靈活的分離式接腳佈局為系統設計者賦予更多想像與原創,使其得以在系統中實現更多成功的的電動車。





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