本文介紹了一種新開發(fā)的IGBT模塊，適用于純電動汽車（EV）和混動汽車（HEV）大功率動力馬達(dá)逆變器的應(yīng)用。新型IGBT模塊采用6合1封裝結(jié)構(gòu)、優(yōu)化的內(nèi)部引線布置、直接主端子綁定結(jié)構(gòu)(DLB結(jié)構(gòu))和底板集成鋁柱的直接冷卻結(jié)構(gòu)，結(jié)果使得新型IGBT模塊同時達(dá)到性能高、自感低、封裝緊湊和重量輕。與傳統(tǒng)的類似功率等級的產(chǎn)品相比，這些創(chuàng)新技術(shù)的采用導(dǎo)致IGBT模塊散熱能力提高了20%、自感減少了30%、封裝減少了50%、重量減少了70%。

1、大功率J1系列功率模塊

1.1 引言

純電動汽車和混動汽車市場伴隨著全球環(huán)保意識的提高而增長。功率半導(dǎo)體模塊已經(jīng)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(tǒng)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(yīng)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(fā)出來。大功率J1系列IGBT模塊采用6合1內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、直接主端子綁定結(jié)構(gòu)（DLB）、直接冷卻結(jié)構(gòu)、第7代存儲載流子溝道型雙極晶體管硅片技術(shù)（CSTBTTM）和RFC二極管硅片技術(shù)。這些技術(shù)的最優(yōu)化結(jié)合成功地提高了致力于電動汽車應(yīng)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(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，其尺寸以及相應(yīng)的額定電流和電壓規(guī)格如表1所示。

1.2 封裝技術(shù)

相對于三菱電機(jī)之前推出的J系列和J1系列汽車級IGBT模塊，進(jìn)一步提高電壓電流能力、應(yīng)用于電動汽車的帶有散熱鋁柱的大功率J1系列IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(nèi)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(yīng)用是非常危險的問題。然而，通過采用優(yōu)化的內(nèi)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(fā)的大功率J1系列模塊成功地實(shí)現(xiàn)低自感。圖4給出新開發(fā)的大功率J1系列對比傳統(tǒng)設(shè)計的電感仿真結(jié)果。

與更傳統(tǒng)封裝的產(chǎn)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(yōu)化的冷卻鋁柱結(jié)構(gòu)結(jié)合高效的第7代CSTBTTM/RFC二極管硅片技術(shù)的結(jié)果。除了冷卻鋁柱比冷卻銅柱具有較低的導(dǎo)熱能力外，選擇鋁制冷卻柱對于EV/HEV應(yīng)用來說是有一些優(yōu)點(diǎn)的，其中，最顯著的優(yōu)點(diǎn)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(xué)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(fèi)和燃料消耗。

另外，大功率J1系列在導(dǎo)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(tǒng)的J系列T-PM逆變器方案相比，導(dǎo)熱能力提高了20%（如圖7所示）。同時，層數(shù)的減少也有助于溫度循環(huán)能力的改善。

圖5、圖6、圖7所示的方案對比是基于應(yīng)用于三相EV/HEV馬達(dá)驅(qū)動的相同電壓/電流等級的IGBT模塊。

1.3 采用最新的硅片技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合水冷散熱器，在如下條件下通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guān)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(shù)取典型值。類似地，大功率J1系列1200V/600A IGBT模塊的實(shí)驗(yàn)條件如下：電池電壓=600V，PWM開關(guān)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(shù)取典型值。

在這些應(yīng)用條件下，650V/1000A模塊在其最高運(yùn)行結(jié)溫低于150℃的情況下的最大逆變輸出電流可超過600Arms（相應(yīng)逆變器輸出功率可超過120kW）。而1200V/600A模塊在其最高運(yùn)行結(jié)溫低于150℃的情況下的最大逆變輸出電流可超過400Arms（相應(yīng)逆變器輸出功率可超過120kW）。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

如此有吸引力的良好結(jié)果是通過采用最新的第7代CSTBTTM和RFC二極管硅片技術(shù)而得到的。IGBT技術(shù)的進(jìn)步一直受到對更高功率密度和更高效率的持續(xù)需求的驅(qū)動，這反映在通過采用改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來達(dá)到優(yōu)化眾所周知的飽和壓降VCE(sat)vs.關(guān)斷損耗Eoff折衷性能之目的的逐代IGBT硅片性能的進(jìn)步上。通過在IGBT硅片結(jié)構(gòu)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(guān)斷損耗來達(dá)到更高的效率。第7代IGBT硅片進(jìn)一步優(yōu)化CSTBTTM的飽和壓降VCE(sat)vs.關(guān)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(xù)改進(jìn)。考慮到J1系列創(chuàng)新型封裝設(shè)計導(dǎo)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(shí)現(xiàn)超高功率密度是顯而易見的。

2、結(jié) 論

已開發(fā)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(fā)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(diǎn)是通過結(jié)合優(yōu)化的封裝結(jié)構(gòu)技術(shù)和最先進(jìn)的硅片技術(shù)（第7代CSTBTTM和RFC二極管）來實(shí)現(xiàn)的。總而言之，大功率J1系列IGBT模塊能實(shí)現(xiàn)寛范圍逆變器運(yùn)行，從而滿足不同種類的電動汽車和混動汽車的應(yīng)用要求。

3、參考文獻(xiàn)

1、S.Inokuchi et al., "A new versatile high power Intelligent Power Module(IPM)”,PCIM-ASIA2015 pp. 205-209

2、K.Hussein, et al., "IPMs Solving Major Reliability Issues in AutomotiveApplications",IEEE-ISPSD2004, Proceedings, pp. 89-92.

3、S. Honda,et al, "Next generation 600V CSTBTTMwith an advanced finepattern and a thin wafer process technologies", ISPSD 2012, pp. 149-152.

4、M.Ishihara et al., "New compact-package Power Modules for Electric andHybrid Vehicles (J1-Series)", PCIM-Europe 2014, pp. 1093-1097

5、K. Hussein,et al., "New compact, high performance 7th Generation IGBT module with directliquid cooling for EV/HEV inverters", IEEE-APEC 2015, Proceedings, pp.1343-1346.