用于HEV/EV輔助系統的小功率模塊

針對 HEV/EV輔助系統，英飛凌推出了 easy module系列汽車級 IGBT功率模塊，不僅可以有效較低系統功耗，而且能夠確保在汽車全壽命范圍內IGBT模塊安全可靠地工作。

• HEV/EV對輔助系統的要求

傳統內燃機汽車中，電氣系統所需的電力通常源自12 V蓄電池，在帶動一些大型負載時通常功耗較大。如圖 1 所示，這些大型負載如空調壓縮機、油泵、冷卻泵、電動助力轉向系統和加熱器等輔助系統。相比而言，混合動力/電動車（HEV/EV）因為集成了高壓電池（通常是144 V 或336 V），將上述輔助系統電源從12 V總線接入高壓總線，相同功率情況下能有效降低系統功耗。通常這些輔助系統或負載的功率范圍在 1～6 kW之間。另外，利用高壓驅動這些系統，可降低驅動電流，從而獲得巨大的成本優勢（通過減小電纜直徑和電動機的銅用量）。

幾個典型的應用：

1）DC/DC轉換器

傳統能源汽車ECU低壓總線的供電（12 V）來源于汽油發動機帶動發電機發電，而在HEV/EV中，因為有高壓電池組（144 V或336 V），同時EV中沒有發動機，因此通常需要增加一個DC/DC轉換器將高壓336 V轉換到12 V，給ECU系統及輔助負載供電。根據車型對負載的需求不同，DC/DC轉換器的功率范圍通常為2～3 kW。

2）電動機

HEV內部有不少電動機負載，這些2～3 kW的電動機工作在 12 V電壓下，工作電流

通常為50～100 A，需要低壓大電流的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），而如果將電動機接在 336 V總線上，采用30 A級別的IGBT就能滿足系統要求，可大大降低系統損耗。

3）空調加熱器

HEV/EV空調的制熱模式不同于傳統能源汽車。傳統能源汽車利用發動機熱源制熱，不

需要額外的熱源，而HEV/EV通常采用IGBT驅動空調加熱器制熱，增加了額外的損耗。另外，因為需要較大的電流驅動空調，因此對相關驅動器件的散熱和保護也有更高的要求。

• 汽車級小功率模塊

針對HEV/EV輔助系統，英飛凌推出了easy module系列汽車級IGBT功率模塊，包括兩種封裝：easy 1B（1～3 kW），easy 2B（1～6 kW），如圖2所示。

easy module系列汽車級IGBT功率模塊的主要優勢如下：

- 提供多種拓撲結構，可以靈活滿足包括DC/DC轉換器、電動機、空調加熱器等多

種應用的需求

- Press fit工藝大大降低了產品生產時人工成本和失效率

- HS3 IGBT芯片能支持100 kHz以上開關頻率

- 汽車級認證及相應的設計保證了產品的可靠性，確保在汽車全壽命范圍內 IGBT模塊安全可靠地工作

除此之外，easy module內置NTC溫度電阻，將更好地檢測系統溫度，以便及時作出反饋，緊湊的設計擁有極高的功率密度，優化后的端子布局有助于降低高壓母排走線難度，并大大降低系統雜散電感。

• easy module的技術特點

easy module在技術上具有以下特點：

1）靈活的拓撲結構

在Easy 1B、easy 2B 兩種外形封裝結構的基礎上，easy module通過不同的內部芯

片布局和端子引線，可以靈活組合出不同拓撲結構及不同功率等級，服務于多樣化的應用需求，有效降低產品成本，同時又可以保證設計的靈活性（如圖3所示）。

（a）IGBT全橋模塊（6管IGBT，內置NTC溫度電阻）

基于Ecom3 IGBT 技術，可用于三相電動機驅動，例如空調壓縮機、油泵、冷卻泵和電動助力轉向系統。

（b）H橋 IGBT模塊（4管IGBT，內置NTC溫度電阻）

基于HS3 高頻 IGBT的H橋模塊，可用于HEV的HV to LV DC/DC轉換器及車載充電器，集成4管 IGBT H橋。

（c）空調加熱器模塊

集成2路高邊及3路低邊開關，用于空調驅動，內置溫度電阻。

2）Press fit壓接技術

Press fit壓接技術允許IGBT模塊的功率端子及信號端子與印刷電路板（PCB）的電鍍孔進行無焊接連接，通過定義合適的PCB孔徑（略小于端子寬度），并控制壓接的力矩和行程，經過特殊設計的端子在壓接過程中發生變形之后固定于PCB的電鍍孔內。這種連接能夠滿足汽車等級的振動等機械性能，能滿足高溫度條件下（例如 125℃）的汽車電子工作環境溫度設計標準。

3）HS3 IGBT 高速 IGBT

通常IGBT的工作頻率被限定在10~30 kHz內（英飛凌第三代IGBT芯片），但在DC/DC應用中，高開關頻率能帶來更高的電源轉換效率，但需要電力電子器件能夠在100 kHz及以上的開關頻率工作，超出了三代IGBT芯片的頻率范圍。對此，英飛凌推出了HS3 IGBT （高速IGBT），優化了開關特性，使其能滿足DC/DC快速開關的應用要求。HS3 IGBT還能夠更快地關斷電流（如圖5），而標準3代IGBT在關斷時會有較長的拖尾，因此HS3 IGBT 能在更高的頻率下工作。另外，對比系統損耗，HS3 IGBT導通損耗略高（2.0 V 較1.6 V 略高 ），但有更低的開關損耗（0.34 mJ較0.85 mJ略低），考慮到在DC/DC應用中開關損耗較大，因此HS3 IGBT能大大降低系統損耗，提高效率。

4）汽車級可靠性

可靠性是IGBT在汽車應用中的最大挑戰，除了電壓、電流等常規參數的設計考慮，涉及IGBT可靠性的主要參數還有：溫度循環次數（Thermal Cycling）和功率循環次數（Power Cycling），其共同決定了IGBT的使用壽命，其他參數例如IGBT機械可靠性（振動測試）特性也需要額外的關注。針對這些要求，英飛凌汽車級IGBT模塊在設計及驗證上做了相應的改進，以滿足嚴苛的參數要求。

（a）功率循環

電流、電壓的切換將會引起ΔTj（結溫變化），在產品全壽命周期內的結溫變化幅度、工作時間及使用工況將共同影響IGBT的壽命。具體而言，IGBT導通電流波動時，綁定線也會隨之擺動，對綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響，反復的擺動可能導致綁定線壽命的耗盡，例如綁定線和IGBT芯片焊接脫落、綁定線斷裂等，均會導致IGBT的損壞（見圖6）。

對此，英飛凌定義了“秒級功率循環（Power Cycling Second）”，對其產品有相應要求，并通過電流加熱、外部水冷冷卻的加速老化試驗模擬電氣沖擊，驗證綁定線焊接的可靠性。英飛凌汽車級IGBT需要承受這些條件而不損壞：ΔTj=60 K，最大節溫150℃，0.5 s < tcycl<5 s，150 kc次功率循環。為了滿足產品通過相關汽車級測試，汽車級功率模塊相對傳統工業模塊主要有以下改進：綁定線材料改進、芯片結構加強、綁定線連接回路的優化以及焊接工藝的優化。

（b） 溫度循環

在HEV中，電力電子器件通常位于前艙靠近發動機，IGBT模塊將承受較高的環境溫度和溫度變化，對IGBT模塊內部焊接層有較大影響，原因在于IGBT模塊內部是多層不同材料焊接而成的結構，不同材料具有不同的熱膨脹系數（CTE），其差別會影響功率模塊的使用壽命。理論上應該選用熱膨脹系數差別盡可能小的材料來進行焊接組合，但這樣可能會導致材料成本或加工成本上升。英飛凌通過改進后的Al2O3陶瓷基片技術，在較小幅度增加成本的前提下，同樣可以達到HEV熱循環次數的要求。英飛凌汽車級IGBT能保證在熱沖擊試驗時，-40℃至 +125℃條件下1 000次熱沖擊后完好無損。

（c） 振動測試標準

在HEV中，對 IGBT振動要求大大超過普通工業的標準，外殼和端子將承受較大的機械沖擊，英飛凌汽車級IGBT可以承受超過5 g的機械振動和超過30 g的機械沖擊。

（d）可追溯性

英飛凌在汽車級IGBT模塊內部DBC上放置了用于追溯的標示，另外在模塊外殼也有三維碼，可用于產品追溯。（英飛凌igbt廠家）