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應用于電動汽車的新型高功率密度IGBT模塊

www.gttxfe.tw 2018/11/9 16:25:07 來源:互聯網 電力電子論壇

  引言

  純電動汽車和混動汽車市場伴隨著全球環保意識的提高而增長。功率半導體模塊已經成為決定電動汽車性能的重要組成部分。特別是近年來,隨著市場的增長,動力系統的多元化要求大功率、高功率密度和大容量的功率模塊。

  為了響應汽車市場對功率模塊的基本要求,如大功率、高可靠性、緊湊性和高效率,被稱為大功率J1系列新型高功率IGBT模塊被開發出來。

  大功率J1系列IGBT模塊采用6合1內部電路結構、直接主端子綁定結構(DLB)、直接冷卻結構、第7代存儲載流子溝道型雙極晶體管硅片技術(CSTBTTM)和RFC二極管硅片技術。

  這些技術的最優化結合成功地提高了致力于電動汽車應用的大功率J1系列IGBT模塊的性能。大功率J1系列模塊的外觀和內部電路結構如圖1和圖2所示,其尺寸以及相應的額定電流和電壓規格如表1所示。

  

應用于電動汽車的新型高功率密度IGBT模塊

 

  

應用于電動汽車的新型高功率密度IGBT模塊

 

  

應用于電動汽車的新型高功率密度IGBT模塊

 

  封裝技術

  相對于三菱電機之前推出的J系列和J1 系列汽車級IGBT模塊,進一步提高電壓電流能力、應用于電動汽車的帶有散熱鋁柱的大功率J1系列IGBT模塊內部結構如圖3所示。

  此類新6合1模塊的幾種典型封裝特征包括高可靠的直接主端子綁定結構、緊湊型尺寸、輕重量和大功率處理能力。大功率能力模塊(如650V/1000A和1200V/600A)內含的大尺寸的引線和功率端子增大了其封裝尺寸,通常大封裝比小封裝具有更大的自感,而這對于在高di/dt條件下的大功率應用是非常危險的問題。

  然而,通過采用優化的內部功率引線和硅片布置可以消除P-N端子間的磁通,新開發的大功率J1系列模塊成功地實現低自感。圖4給出新開發的大功率J1系列對比傳統設計的電感仿真結果。

  

應用于電動汽車的新型高功率密度IGBT模塊

 

  與更傳統封裝的產品(J系列T-PM)相比,新的大功率模塊的封裝尺寸減少了50%(如圖5所示)。大功率J1系列模塊尺寸減少是優化的冷卻鋁柱結構結合高效的第7代CSTBTTM/RFC二極管硅片技術的結果。

  除了冷卻鋁柱比冷卻銅柱具有較低的導熱能力外,選擇鋁制冷卻柱對于EV/HEV應用來說是有一些優點的,其中,最顯著的優點是直接暴露于冷卻劑下鋁的抗腐蝕能力以及與采用J系列6合1 IGBT模塊的逆變器方案相比時重量可減少70%(如圖6所示)。

  鋁不像銅那樣易受電化學腐蝕,如果銅柱被使用,就需要用厚的鍍鎳層來防止被腐蝕。另外,鋁的輕量化有助于減少EV/HEV的電費和燃料消耗。

  

應用于電動汽車的新型高功率密度IGBT模塊

 

  另外,大功率J1系列在導熱路徑上消除了兩層,一層是散熱基板和底板之間的焊接層,另一層是底板和水冷散熱器之間的硅脂層。與傳統的J系列T-PM逆變器方案相比,導熱能力提高了20%(如圖7所示)。同時,層數的減少也有助于溫度循環能力的改善。

  圖5、圖6、圖7所示的方案對比是基于應用于三相EV/HEV馬達驅動的相同電壓/電流等級的IGBT模塊。

  

應用于電動汽車的新型高功率密度IGBT模塊

 

  采用最新的硅片技術的試驗結果

  結合水冷散熱器,在如下條件下通過實驗驗證了大功率J1系列650V/1000A IGBT模塊的功率處理能力:

  電池電壓=450V,PWM開關頻率=5kHz/10kHz,冷卻水溫度(Tw)=65℃,冷卻水流速=10L/min,熱阻IGBT-Rth(j-w)取最大值,IGBT特性參數取典型值。

  類似地,大功率J1系列1200V/600A IGBT模塊的實驗條件如下:

  電池電壓=600V,PWM開關頻率=5kHz/10kHz,冷卻水溫度(Tw)=65℃;冷卻水流速=10L/min,熱阻IGBT-Rth(j-w)取最大值,IGBT特性參數取典型值。

  在這些應用條件下,650V/1000A模塊在其最高運行結溫低于150℃的情況下的最大逆變輸出電流可超過600Arms(相應逆變器輸出功率可超過120kW)。而1200V/600A模塊在其最高運行結溫低于150℃的情況下的最大逆變輸出電流可超過400Arms(相應逆變器輸出功率可超過120kW)。

  這些實驗結果如圖8和圖9所示。

  

應用于電動汽車的新型高功率密度IGBT模塊

 

  如此有吸引力的良好結果是通過采用最新的第7代CSTBTTM和RFC二極管硅片技術而得到的。

  IGBT技術的進步一直受到對更高功率密度和更高效率的持續需求的驅動,這反映在通過采用改進內部結構來達到優化眾所周知的飽和壓降VCE(sat)vs. 關斷損耗Eoff折衷性能之目的的逐代IGBT硅片性能的進步上。

  通過在IGBT硅片結構上增加額外的載流子層,CSTBTTM硅片能通過同時減少飽和壓降和關斷損耗來達到更高的效率。

  第7代IGBT 硅片進一步優化CSTBTTM的飽和壓降VCE(sat) vs.關斷損耗Eoff折衷性能,如圖10所示,它歸納了新一代IGBT硅片性能的持續改進。考慮到J1系列創新型封裝設計導致的超緊湊性(功率模塊體積小于0.68升),通過采用第7代IGBT硅片來實現超高功率密度是顯而易見的。

  

應用于電動汽車的新型高功率密度IGBT模塊

 

  結論

  已開發的新型高功率密度IGBT模塊“大功率J1系列”被用來滿足逐步發展的電動汽車和混動汽車市場要求。

  大功率J1系列IGBT模塊做到了性能高、自感低、封裝緊湊和重量輕,這些有吸引力的特點是通過結合優化的封裝結構技術和最先進的硅片技術(第7代CSTBTTM 和RFC二極管)來實現的。

  總而言之,大功率J1系列IGBT模塊能實現寛范圍逆變器運行,從而滿足不同種類的電動汽車和混動汽車的應用要求。

 

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