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混合动力电动车应用中大功率器件的五大要素

导读: 尽管标准内燃机驱动的汽车可以相对轻松地从12V电池供电和相应的12V/14V交流发电机获取车载系统的电气需求,但由于混合动力电动汽车采用了几个系统,它们需要更高的功率级别。对于轻混、全混、插电式混合动力汽车或纯电动汽车而言,耗能最多的组件是电机驱动装置。

  尽管标准内燃机驱动的汽车可以相对轻松地从12V电池供电和相应的12V/14V交流发电机获取车载系统的电气需求,但由于混合动力电动汽车采用了几个系统,它们需要更高的功率级别。对于轻混、全混、插电式混合动力汽车或纯电动汽车而言,耗能最多的组件是电机驱动装置。该装置需要在没有内燃机支持的情况下,至少在一定时间内有效驱使车辆行进。为在不损失阻性连接通道上大部分电能条件下,为数十千瓦至上百千瓦的大功率电机供电,大电流路径需要实现更高的电压(范围为600V至1200V)。但即使在如此之高的电压条件下,所需的电流水平也不过为几百安培。

  高压电网的引入,使汽车行业开始采用两个全新的功率密集型产品:将直流转换成交流以驱动电机的DC-AC逆变器,以及在高压电网和12V电网之间实现电能交换的DC-DC 转换器。混合动力汽车仍然需要12V电网,因为多数标准汽车电子系统都采用12V电源。

  如前所述,换流器和转换器需要管理几千瓦的功率,因此需要配备优化半导体器件和高级封装的十分复杂的高效电子装置。专注功率管理的国际整流器(IR)公司因此认为这种半导体平台要满足这些全新高功率电子系统的要求需具备下述性能:

  1) 在各种应用中具备更高能效;

  2) 更高的载流能力,在600V至1200V典型电压条件下,载流能力为100A至300A;

  3) 更出色的机械和电气性能,确保能够经受恶劣的汽车环境,同时满足防失效设计的所有安全和保护要求;

  4) 更低的电磁干扰和寄生电感,由于开关大电流和高压会产生极强的电磁场,包括传导或传递噪声/电磁干扰、过压尖峰和对汽车敏感电子装置造成影响的其他干扰等。

  下文详细探讨图1所示的可解决上述问题的5个主要平台元素:

 

  

  图1:满足混合动力电动汽车的功率管理需求的五大“必备要素”。

 

  1. 高效的高压IGBT:在电压范围为600V至1200V条件下,要想高效地开关几百安培的大电流,需要采用这种类型的功率开关。相对于MOSFET而言,世界一流的沟槽型IGBT在这些高压条件下能效更高。这些器件在极高的电流密度条件下,具备极低的导通电阻。如果采用标准引线键合封装,其性能将会极大地受到这种传统装配技术的限制。因此IR公司采用专利的可焊正面金属工艺,使IGBT能够被焊接在两侧,从而彻底避免在换流器或转换器模块中使用引线键合。该解决方案可解决上文所述的两个以上的问题:由于避免了“键合引线脱落”这种典型的故障模式,无引线键合装配的可靠性和稳健性大幅提高。潜在的故障机制是焊剂磨损殆尽,但这需要很长的时间和很高的应力。采用这种技术的模块厂商可使用更小的器件——相对于一流的引线键合装配解决方案,可在更高温度条件下运行,并能够承受更宽的温度变化。图2显示的是高级无引线键合装配的应力测试典型结果。

 

  

  图2:采用基于专利陶瓷的定制封装的引线键合IGBT,与无引线键合双面焊接IGBT的功率循环的比较。左图和右图显示不同的温度应力剖面,每个竖条代表一种被测器件。

 

  除提高稳健性外,采用前面可焊金属的器件还能改善其他问题,包括寄生电感、产生噪声的振铃以及大电流开关带来的电磁干扰等。通过实现双面焊接连接,感应率被降至最低或者完全消失。事实证明,IR公司的无引线键合器件相对于任何标准的引线键合或塑料封装器件,具备更出色的开关性能。例如,图3为IR公司的专利DirectFET封装与引线键合塑料封装器件的快速开关性能比较。

 

  

  图3:IR公司的专有无引线键合DirectFET封装,可降低寄生电感和振铃,明确具备更出色的电磁干扰性能。

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