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功率技術/新能源  

新型IGBT為輕度混合動力車提高燃油效率

上網時間: 2014年12月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:IGBT  混合動力車  燃油效率  HybridPACK 1  傳導損耗 

作者:Carlos Castro、Andreas Kopetz、Laurent Beaurenaut,英飛凌科技

石油價格高漲、儲量匱乏以及對於二氧化碳降低排放量的需求,正促使各國政府針對提高燃油效率祭出新法規。在北美,汽車OEM必須在2016年以前達到35mpg的燃油效率標準;而在歐盟則要求在2020年以前達到95g/Km的CO2碳排放量。對於所有的汽車製造商來說,達到這些法規要求的唯一因應之道就是推出混合動力車(HEV)與電動車(EV)。

透過對當前的市場資料加以分析,我們可以清楚地看到這種節能技術發展軌跡:在改善傳統內燃機系統的燃油效率後,下一步就是輕度混合動力車,然後是全混合動力車,最後是電動車。

相較於全混合動力系統,輕度混合動力系統並非完全依靠電力驅動車輛。電動馬達可用於啟動內燃引擎(啟停功能),並在車輛加速時提供助力,或在剎車時回收能量。這種系統提供一種很經濟的燃油效率提升方式。相較於傳統的內燃機,有些系統可使燃油效率提高15%至20%,而只需增加一點成本或多幾百美元。

由於輕度混合動力車的電動馬達功率有限(不足20KW),所需的電池電壓比全混合動力車或純電動車的電池電壓更低,以期降低各種元件的成本(電池、開關、電容器……等)。如今,輕度混合動力車的設計使用200V的電池電壓,而全混合動力車或純電動車的電池電壓則高達450V(在安裝升壓器的條件下甚至更高)。所有的這一類車輛均為主逆變器所用的開關導入相同的技術:絕緣閘雙極電晶體(IGBT)。

由於其出色的特性,IGBT已被公認為具備最佳性價比的半導體開關。為了達到最優性能(最低損耗),需要最佳化逆變器DC-Link電壓(即降低系統的整體雜散電感),並縮小電池電壓與IGBT阻斷電壓的差距。遺憾的是,迄今,沒有一種IGBT技術的阻斷電壓低於600V。這意味著當混合動力車的電池電壓為100V至200V(輕度混合)時,就會存在巨大的差距,因此降低了逆變器的性能,從而導致燃油效率變低。

採用40微米晶圓的400V IGBT

溝槽和場截止(Field-Stop)技術大幅低了IGBT的穩態損耗和開關損耗。溝槽單元則與場截止垂直概念結合在一起。

由於有更多的載子聚集在發射極(陰極)周圍,因此,溝槽單元可降低導通損耗。場截止概念是由NPT概念演變而來,在晶圓的背面植入了一個氮(n)摻雜層(圖1)。將這種場截止區與電阻率提高的基底晶圓結合在一起,可使元件的厚度縮減近三分之一,同時保持相同的阻斷電壓。晶圓厚度縮減進一步降低了導通損耗和關斷損耗。場截止層位於低摻雜層,因而不至於影響同樣植入於晶圓背面的低劑量p發射極。

溝槽與場截止IGBT單元
圖1:溝槽與場截止IGBT單元

場截止概念意味著採用超薄晶圓技術,因此在製造方面帶來挑戰。另一方面,IGBT的功耗大致與晶圓厚度的平方成正比,使得晶圓厚度的降低帶來了系統性能的提升。有鑒於此,650V系列採用低於70微米(UM)的超薄晶圓,使其厚度較其他先進元件降低近30%。電壓降低至400V意味著必須使用低於40uM的超薄晶圓,但這卻因此帶來在製程方面的巨大技術挑戰,諸如退火、金屬化、鈍化、微影與蝕刻等。

複雜的晶圓處理至關重要,包括用於超薄晶圓的特殊設備,以及利用最佳化的背面金屬化實現控制的晶圓翹曲。晶圓自身的削薄處理必須經過晶圓研磨和濕式化學刻蝕等製程。

電氣性能

首款採用這種全新40umIGBT技術開發的產品選用HybridPACK1封裝。

HybridPACK 1封裝
圖2:HybridPACK 1封裝

HybridPACK 1是業經認證且成熟的既有功率模組封裝,用於650V電壓範圍和其他平台。它專為設計用於功率在30kW範圍內的輕度混動力車和全混合動力車應用。該模組採用採用150°C的工作結溫與6單元配置,適用於空冷或液體冷卻逆變器系統。這種扁平的銅基板結合了高性能陶瓷基底以及英飛凌(Infineon)增強的線接合製程,可為輕度混合動力車逆變器應用提供無與倫比的熱迴圈和功率迴圈可靠性。

直接比較先進650V IGBT/二極體晶片組的結果顯示,400V IGBT/二極體在更低的DC-link電壓時,不但可大幅降低導通損耗,同時也顯著減少開關損耗。經由在幾乎相同的晶片尺寸上簡單地交換400V IGBT3/Emcon4與650V IGBT3/Emcon4晶片組(400V/216A與650V/200A),能夠比較出400V與650V晶片組的損耗。這兩款晶片組的測量是在相同條件下(測試台建置、PCB和額定電流)進行的。

相較於650V IGBT/二極體晶片組,400V IGBT/二極體晶片組的總導通損耗大約降低了15%,如下表所示。

215A IGBT和430A二極體在25°C和150°C時的導通損耗
表1:比較215A IGBT和430A二極體在25°C和150°C時的導通損耗(Vce=120V、Ic=215A/200A)。

相較於FS215R04A1E3D模組的650V IGBT/二極體晶片組,400V IGBT/二極體晶片組的總開關損耗大約降低12%。

閘極電阻相同時的開關損耗比較
表2:閘極電阻相同時的開關損耗比較(Tj=150°C、Vce=120V、IC=215/200A)

結語

專為輕度混合動力車實現更低工作電壓(高達200V)的新型IGBT技術現已問世。藉由利用厚度僅40um的超薄晶圓,不僅可大幅降低導通損耗,還可顯著降低開關損耗。在克服各種技術挑戰後成功推出這些元件,可望進一步提升混合動力車的燃油效率。





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