JC-K2系列電動汽車IGBT模塊
1 引言
為了有效達到節能和環保的目的，汽車技術發展正朝車輛節能化、能源多元化、動力電氣化、排放潔凈化等方向積極推進，發展節能汽車、代用燃料汽車與電動汽車。2009年國家正式公布了《汽車產業調整和振興規劃》，規劃新能源汽車發展的短期目標為電動汽車產銷形成規模。同時，以電動汽車為首的新能源汽車也成為“十二五”期間的重點扶持對象。在此背景下，新能源汽車，尤其是電動汽車成為國內乃至世界各汽車公司的研發重點，很多公司已向市場推出商業化的電動汽車。
電動汽車中需要用到大量的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，IGBT是電動汽車中的核心器件之一，是動力系統的重要組成部分。汽車上工作條件的嚴酷性和復雜性給傳統的IGBT模塊技術帶來了極大的挑戰。
2 JC-K2系列的工作原理
本文所指的電動車包括混合動力(HEV)和純電動汽車(EV)。以HEV為例，其主要電氣系統如圖1所示。IGBT主要應用于以下兩個子系統中：
1) 電動控制系統：大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅動汽車電機;
2) 車載空調控制系統：小功率直流/交流(DC/AC)逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。
電動控制系統的IGBT需要處理的電流大，可靠性要求高，是本文討論的重點。
電動控制系統的原理如圖2所示，主要是通過脈沖寬度調制(PWM)的方式控制IGBT開關，將電流從DC轉換到AC(電池到電機，驅動電機)或者從AC轉化到DC(電機到電池，剎車、下坡時能量回收)。
對于HEV和雙模(DM)車型來說，除驅動電機外，另外還有一個發電機(如圖3所示)，可以由汽車的發動機帶動其發電，然后通過IGBT模塊AC/DC轉換后向電池充電。在DM車型中，該發電機還可以充當驅動電機的作用。
圖1 HEV的電氣系統圖
圖2 電控系統原理圖
圖3 DM動力系統布局
3 JC-K2系列IGBT模塊的參數及可靠性要求
電動車中的電池電壓較高，一般在200V以上，電機功率也較大，要求IGBT的額定電壓在600V~1200V，額定電流300A以上。以比亞迪F3DM為例，電池正常工作電壓為330V，剛充滿電后，電池電壓會達到400V，IGBT工作過程中電壓過沖會達到800V以上。驅動電機功率為50KW，正常行駛時，IGBT輸出電流在200A內。輸出電流最大的工況是急加速，電流峰-峰值在1500A以上(如圖4所示)。綜合考慮以上條件，在F3DM上最終采用了1200V/600A 額定電壓電流的IGBT模塊(如圖5所示)。
圖4 電動車急加速工況下的電流波形
除前面提到的電流電壓規格要求外，電動汽車用IGBT還需滿足以下要求：
1)由于采用多個IGBT芯片并聯，需要IGBT的VCEsat具有正溫度系數;
2)在電機驅動電路里，IGBT的開關頻率不是太高，一般在20KHz以內。另外由于工作電流較大，系統復雜，需要選擇飽和電壓(VCEsat)低，關斷特性較“軟”的IGBT;
3)在實際工作中，IGBT存在負載短路的風險，因此要求IGBT有較好的短路耐量;
4)考慮到汽車車倉里溫度較高，IGBT的最高可工作結溫Tj不能低于150℃;
5)RBSOA要大，具有一定的雪崩耐量;
6)耐大電流沖擊能力強，散熱好;
7)需要極低的EMI，避免干擾驅動控制電路和其他外電路。
電動汽車用功率器件可靠性標準可以參考AEC-Q101，在溫度循環、功率循環、熱沖擊、機械振動及沖擊、高低溫存儲、高低溫加電偏置等方面均有嚴格要求。表1是一些企業提出要達到的要求：
以上部分要求給電動車用功率器件帶來了較高的挑戰，傳統的工業級IGBT模塊設計及制造工藝技術，難以勝任汽車級的要求。
4 電動汽車中IGBT模塊的失效分析
IGBT功率模塊在電動汽車應用時失效的原因通常有以下幾個：
1)過熱燒毀
IGBT模塊工作的環境溫度高，以HEV和DM車型為例，動力驅動部分，包括IGBT、電機、引擎等都在汽車前車倉內。引擎在工作時，發熱量巨大，如果是夏天，前車倉內的溫度包括給IGBT模塊降溫的冷卻水溫度可能達到70℃以上。因此，在一些大電流工作情況下，如果散熱不好，過溫保護不及時，IGBT模塊有可能因過熱燒毀;
2)過流燒毀
電動車在行駛過程中，由于驅動受干擾異常，或則電機堵轉、卡死等異常造成驅動電機的IGBT瞬時電流非常大，如果IGBT抗閂鎖能力或者短路耐量不高或者過流保護不及時，可能發生燒毀;
3)機械振動損壞
IGBT功率模塊在汽車應用和其他工業應用的一個很大不同在于，汽車行駛的路況復雜，速度多變，因此，IGBT模塊可能要承受數十g的加速度振動和沖擊。這種振動對于模塊結構和各引線端子的堅固性是一個很大的考驗。
傳統IGBT模塊的電極基本都是焊接到DBC上后引出。電極在安裝過程中需承受一定的應力，在汽車運行過程中也會一直承受機械沖擊和震動，因此，焊接在DBC上的電極很難滿足此應用的要求。
4)高、低溫循環損壞
IGBT功率模塊是一個多層結構(如圖6所示)，層與層之間基本靠焊接實現，不同層的材料不同，很難做到熱膨脹系數的完美匹配;汽車的應用環境溫度，模塊工作和停止溫度都可能相差巨大，這就帶來了嚴重的熱沖擊和高、低溫循環的失效問題。由于材料的熱膨脹系數不匹配，原本焊接良好的焊接層，在經過一定次數的冷熱循環后會發生嚴重分層，導致散熱及通流能力下降，器件燒毀。表2給出了普通的工業級IGBT模塊在溫度循環后的焊接分層情況。
圖6 IGBT模塊內部結構示意圖
圖7 IGBT模塊中常用材料的熱膨脹系數
1) 功率循環引起鍵合線失效
汽車在運行過程中，頻繁的啟動和加速會帶來對芯片表面邦線的巨大沖擊，脆弱的邦線點會較快失效。功率循環帶來的失效還來源于芯片上Al線和Al金屬層和Si熱膨脹系數不一致，在功率循環過程中發生Al原子重構導致Al線斷裂，如圖8所示。
圖8功率循環導致鍵合線失效
IGBT功率循環的壽命可以通過式(1)來模擬：
上式中，Nf是可承受的功率循環次數，kB是波爾茲曼常數，Ea是激活能，A和α是常數，Tm是功率循環時的中間溫度。
5、結束語
電動汽車中IGBT模塊占整車成本近10%。IGBT模塊在電動汽車中發揮著至關重要的作用，是電動汽車的核心技術之一。電動汽車的特殊需求，對IGBT模塊技術提出了更高的要求。電動汽車產業的發展，為IGBT模塊件提供了機遇和挑戰。只有解決好這些問題，才能更好的促進電動汽車的商業化進展。
