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应对焊接断裂,IGBT生产商如何应对新挑战?

—— 混合电力传动系统把由大型电池组供电的三相交流电机作为内燃机的动力补充

导读: 由于能源成本的上升,混合电力传动系统在汽车应用中变得越来越流行。混合电力传动系统把由大型电池组供电的三相交流电机作为内燃机的动力补充。逆变器电路用于将电池的直流电压转换为适于驱动电机的更高的交流电压....

  由于能源成本的上升,混合电力传动系统在汽车应用中变得越来越流行。混合电力传动系统把由大型电池组供电的三相交流电机作为内燃机的动力补充。逆变器电路用于将电池的直流电压转换为适于驱动电机的更高的交流电压,而其中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)则是一个关键器件。

  混合动力传动系统中的大型电池组、电机、以及相关的机械组件占用了大量的空间。为了在这些一般比较紧凑的车辆中减少对乘坐舱的侵占,包括IGBT在内的电子系统通常非常靠近发热量大的热源。并且所有的大功率IGBT都会在正常工作过程中产生大量的热量。另一方面,混合动力汽车应用具有在其他应用中一般不会遇到的极端环境温度。汽车生产商必须预料到他们的车辆可能会工作在低于-40℃到高于55℃(131℉)的环境温度中。另外,IGBT还可能位于环境温度高达125℃(257℉)的引擎舱中。

  混合动力汽车应用中的IGBT将不得不承受从环境温度到工作温度再回到环境温度的数千次温度循环。在这些温度循环过程中,组成IGBT的各种不同材料会经受不同比率的膨胀和收缩。这使IGBT内不同材料的电路层之间的焊点产生了可能导致焊接断裂的应力。

  焊接断裂

  焊接断裂降低了IGBT的电气和热传导能力并且可能会造成故障。生产商已经开始采用更先进的材料来将造成焊接断裂的膨胀率和收缩率的差异减到最小。在混合动力汽车应用中,可以采用AlN基板与Al-SiC基板的组合而不是采用一般用于工业应用中的价格稍低的AlO基板和铜基板。IGBT生产商也改进了焊接流程以便确保更薄、更均匀的焊接层。这提高了器件对造成焊接断裂的应力的承受能力,即便在焊接层最薄的地方也能承受最大的热应力。

  IGBT生产商也发明了许多方法来降低焊接断裂形成后带来的影响,以便确保在车辆使用寿命期间IGBT的可靠工作。其中一种方法是使用几个较小的并行内核而不是采用一个较大的内核。当使用较大的内核时,其中心和边缘的温度差异较大。这导致内核和基板之间的焊点产生额外的应力。

  较小内核的中心和边缘温度差异相应较小,因而使得与基板连接点的应力减到最小。另外,使用多个较小的内核能够让IGBT生产商通过增大内核间的距离来优化器件的热量分布。采用多个内核代替单个内核所带来的灵活性让生产商可以借助这种发生焊接断裂导致温度上升的可能性最小的方法来确定内核的位置。通过采用这些和其他的方法,IGBT生产商就能够生产出可以承受今天的混合动力汽车中极端温度循环条件的器件了。

  总结

  在未来,混合动力汽车将凭借诸如锂电池组和更高效的电机等新型技术来提供更好的燃油经济性。IGBT生产商也正在通过制造更小的、更强大的并且能够满足未来混合动力汽车要求的器件而做出他们的贡献。

 

 

  作者:Evan Okerblom,e络盟技术支持团队

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