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汽车应用中的IGBT功率模块

2010-12-21 10:49
Radow
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  诸如高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件,要求对IGBT功率模块的机械和电气特性给予特别的关注,以便在整个使用寿命期间能确保其性能得到充分发挥,并保持很高的可靠性。本文对IGBT的功率和热循环、材料选型以及电气特性等问题和故障模式进行了探讨。

  各种工业应用中通常会使用多达十几种的绝缘栅双极晶体管(IGBT),设计IGBT模块的目的就是为了向某种专门的应用提供最优的性价比和适当的可靠性。图1为现有的IGBT功率模块的主要组成部分。

  商用电动车(EV)和混合动力电动车(HEV)的出现为IGBT模块创造了一个新的市场。EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系,IGBT位于逆变器中,为混合系统的电机提供能量。根据传动系的概念,逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置,因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件(振动和冲击)的考验。

  为向汽车设计人员提供高可靠性的标准工业IGBT模块,IGBT设计人员必须特别小心地选择材料和设计电气特性,以得到相似甚至更好的结果。

  热循环和热冲击试验

  在热循环(TC)期间,待测器件(DUT)交替地暴露于被精确设定的最低和最高温度下,使其管壳的温差(ΔTC)达到80K到100K。DUT处于最低和最高温度的存储时间必须足以使其达到热平衡(即2到6分钟)。此项试验的重点是检测焊接处的疲劳特性。

  通过更严格的试验,还可以研究其它部分(如模块的框架)所存在的弱点。热冲击试验(TST),也被称作二箱试验,是在经过扩展的ΔTC的条件下进行的,例如从-40-C到+150+C,其典型的存储时间为1小时。

  图1:包括基板在内的IGBT模块构架示意图。

  图1:包括基板在内的IGBT模块构架示意图。

  功率循环

  在热循环/热冲击试验过程中,从外部加热DUT,而在功率循环(PC)期间,DUT被流经模块内部的负载电流主动地加热。因此,模块内部的温度梯度和不同材料层的温度都比热循环过程中高得多。

  模块的冷却是通过主动关断负载电流以及使用外部散热措施来实现的。最典型的是使用水冷散热器,但空气冷却系统也较常用。试验装置能在加热阶段停止水流,待进入冷却阶段后再重新打开水流。通过功率循环,能对绑定线的连接以及焊接处的疲劳特性进行研究。

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