混合動力電動車應用中大功率元件的五大要素
關鍵字： 電動車 電動汽車 IGBT MOSFET 混合動力
作者：Henning Hauenstein副總裁兼汽車產品業務部總經理
國際整流器公司
儘管標準內燃機驅動的汽車可以相對輕鬆地從12V電池供電和相應的12V/14V交流馬達獲取車載系統的電氣需求，但由於混合動力電動汽車採用了幾個系統，它們需要更高的功率等級。對於輕混、全混、插電式混合動力汽車或純電動汽車而言，耗能最多的組件是馬達驅動裝置。該裝置需要在沒有內燃機支援的情況下，至少在一定時間內有效驅使車輛行進。為在不損失阻性連接通道上大部份電能條件下，為數十千瓦至上百千瓦的大功率馬達供電，大電流路徑需要實現更高的電壓(範圍為600V至1,200V)。但即使在如此之高的電壓條件下，所需的電流水平也不過為幾百安培。
高壓電網的導入，使汽車產業開始採用兩個全新的功率密集型產品：將直流轉換成交流以驅動馬達的DC-AC轉換器，以及在高壓電網和12V電網之間實現電能交換的DC-DC轉換器。混合動力汽車仍然需要12V電網，因為多數標準汽車電子系統都採用12V電源。
如前所述，換流器和轉換器需要管理幾千瓦的功率，因此需要配備最佳化半導體元件和高級封裝的十分複雜的高效電子裝置。因此，這種半導體平台要滿足這些全新高功率電子系統的要求需具備下述性能：
1) 在各種應用中具備更高能效；
2) 更高的載流能力，在600V至1,200V典型電壓條件下，載流能力為100A至300A；
3) 更出色的機械和電氣性能，確保能夠經受惡劣的汽車環境，同時滿足防失效設計所有安全和保護要求；
4) 更低的電磁干擾和寄生電感，由於開關大電流和高壓會產生極強的電磁場，包括傳導或傳遞噪音/電磁干擾、過壓尖峰和對汽車感應電子裝置造成影響的其他干擾等。
下文詳細探討圖1所示的可解決上述問題的5個主要平台元素：
圖1：滿足混合動力電動汽車的功率管理需求的五大‘必備要素’。
1. 高效的高壓IGBT：在電壓範圍為600V至1,200V條件下，要想高效地開關幾百安培的大電流，需要採用這種類型的功率開關。相對於MOSFET而言，溝槽型IGBT在這些高壓條件下能效更高。這些元件在極高的電流密度條件下，具備極低的導通電阻。如果採用標準接腳鍵合封裝，其性能將會大幅受到這種傳統裝配技術的限制。因此IR公司專利的可焊正面金屬製程，使IGBT能夠被焊接在兩側，因而徹底避免在換流器或轉換器模組中使用接腳鍵合。該解決方案可解決上文所述的兩個以上的問題：由於避免了‘鍵合接腳脫落’這種典型的故障模式，無接腳鍵合裝配的可靠性和穩健性大幅提高。潛在的故障機制是焊劑磨損殆盡，但這需要很長的時間和很高的應力。採用這種技術的模組廠商可使用更小的元件──相對於接腳鍵合裝配解決方案，可在更高溫度條件下執行，並能夠承受更寬的溫度變化。圖2顯示的是高級無接腳鍵合裝配的應力測試典型結果。
圖2：採用基於專利陶瓷的定製封裝的接腳鍵合IGBT，與無接腳鍵合雙面焊接IGBT的功率循環的比較。左圖和右圖顯示不同的溫度應力剖面，每個豎條代表一種被測元件。
除提高穩健性外，採用前面可焊金屬的元件還能改善其他問題，包括寄生電感、產生噪音的振鈴以及大電流開關帶來的電磁干擾等。透過實現雙面焊接連接，感應率被降至最低或者完全消失。事實證明，IR公司的無接腳鍵合元件相對於任何標準的接腳鍵合或塑料封裝元件，具備更出色的開關性能。例如，圖3為IR公司的專利DirectFET封裝與接腳鍵合塑料封裝元件的快速開關性能比較。
圖3：IR公司的專有無接腳鍵合DirectFET封裝，可降低寄生電感和振鈴，明確具備更出色的電磁干擾性能。
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