功率器件在混合动力汽车中的应用.pdf

TECHNOLOGY ANALYSIS
技术分析
功率器件在混合动力汽车中的应用
Sayeed Ahmed英飞凌科技有限公司HEV产品营销经理
混合动力汽车(HEV)市场分类述決定所需的功率数及优选用,完个混合系究可具有串行、
的增长在很大程度上取决于每加的系统架构。
并行和功率分配架构,它可将油
仑里这一能耗指标及追加投入
串行、并行利功率分配是最耗降低35%。
的每个使币所帯来的好处以及混常用的架构。对·款特定车辆米
合系统现场的可靠性。消费者将说,混合程度和系统梨构的选HEV系统中功率电子面临的挑战
混合汽车与标准汽车进行比较,择主嬰収決」所需的功能、车辆
HEV系统中的功率电子需高
并期待在整体更低有成本的前大小、行驶作限及设定的燃油经效地将能量从DC转至DC(电池到
提下起码具有同样的性能和可靠济性指标。每个混合系统的功率电机)、从DC转至DC(发电机
性。混合汽车增川的成本必须在.电子内容各不一样,它取决」功到电池)及从DC到DC(对压
拥有期间通过节省燃料和维护成能、功率要求和梨构。
转换器米说,是从低的电池电
木得到回报。
当仪需要启め一停止功能时到高的逆变器输入电压;对降压
用在HEV中逆变器和DC-DC(例如旅行布场合),用一个集转换器米说是从高压电池到低
转换器中的功率模块和其内的功成起功器/父流发电机系统代替了电池)。因在该能量转换中,要
率器件是主要的性能、可靠性和起动器和交流发电机的并行微混对高压和大电流进行关,所以
成木驱动器。效率、功率密度和令的方法就很通用。在这些系统需采用具有最低损耗的功率器件
特定功率足一些关键性能指标。中,电压和功率等级相対较低,技术。对较低的系统电压和电流
最重要的可靠性规范是热循环和其汕耗的改述在10%左右。
米说,M0SPET技术比IGBT有更
功循环。
除启动一停止功能外,当需要好的功密度,它们用在微混合
时
?度混合系统可提丌辅应用中。対轻度混合应用米说,
混合动力汽车的分类
助引擎功率。另外,它述从再生当系统电压高于120V时,IGBT是
在混合汽车驱系统中,需制动中状取能量,从而可将油耗首选器件。对个混合应用来说
将一个或几个电机与燃烧引擎ー的攻进提升到15%左右。増加的600V到1200V的IGBT足使用的唯
起使用。可根据混合程度和系功能需要更高的能耗,所以要釆一器件。
统架构对混合汽进行分类。用高压器件(80V到600V)。
般来说,传统的NPT1GBT
可被分为徴( m Ic ro)级、轻度
若以完全电子模式运行车在导通损耗和川关损耗特性间有
(mild)数和完个(uID)数的混納,则需要?个具有高压和大电个平衡。若导通损耗降低则
合程度决定电机执行的功能。该流能力的完全混合系统。根据应开关损耗增加。英飞凌的沟道
SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICAT
20年1月49
技术分析
TECHNOLOGY ANALYSS
然,写NPT器件相比, F ie ld S top1器
FS
件显著缩小了体积
时装设计?和互.连技术对模块
的寄生感应产生很大影啊,它们
也可被用来改进功率密度。另
外,选择的材料也会対性能??
靠性产生影响。例如,氮化砫底
层的成木比氧化铅底层的成木高
很多,但前者的热性能叨显女
后者。同样,昂贵的铝砫碳化物
基板也比使宜的铜基板具有高得
Figure 1. Comparison of non-punch-
through, Fieldstop and punch-through IGBT
多的热循坏可靠性.。
technologies.
当为HBV设计功率模块い
需在设计开始就归确关键的障
F ie Id S to p IG B T放电套的 Em Conこ定接门产生更高温度,从而降低模碍。需采用恰当的器件技术、底
极管技术与传统器件相比,在增块功率周期的稳定性。此,需建层布局和封裝技术以满足性能
加心片电流密度的同时小了导立一整套全面的器件和封装技术规可靠性和成本日标。表1显示了
通和开关损耗。通过采用ー个场范来优化性能、可靠性和成本。
利'模块在性能和可靠性方面的对
伐正.( fie ld s to p)层来得到更低
比,它们分別足:用エ业可变
损耗,该层小了器件厚度降混合车用功率半导体模块
速驱的标准半桥62mm模块、用
低了通过器件的压降。图1显示
应用需要功卒模块具有高电流于轻度混合的六单元(six-pack)
半面和汋道器件所用不同1GBT密度,这也就意味着每单位电流容 H ybrid PA C K1模块(图3)和用
技术的截面层。另外, F ie ld-Stop量具有更小的体积。器件越小,包于个混合的六単元(six-pack
器件可连续工作在150C(最高纳」其内的底层也就越小,结果就 H yb rid PA CK2模块(图4)。
15C)的结温度,该特性强化了得到一个模块虽小但功率密度更高在全部三和模块内,都采用
芯片电流密度使采用更高的冷的模块。图2显示的是英飞凌预期了相同的600测道 F ic ld S topt器件
却温度变得更容易。
的1200V器件体积的减小情况。显技术,但釆用的封装技术不同
嵌放在一个便利封装内的功率
模块可承受端温度环境、震动及
1st gen
2nd gen
3rd gen.
4th gen. 5th gen
其它恶劣环境条件。除器体「作引
起的温度变化外,环境温度变异及
3.5
车内产生的振动带来刂靠性挑战
在混合汽布应用中功率模块期的
A06
使用寿命足15年/15万英?,所以
在设计该模块时,要使其能具有期
的可靠性。例如,在某些情况,
A044
1.5
回
更高的器件性能公模块的稳定性
A-037
产生不良影响。从器件技术的角度
198819901992199419961998200020022004200620082010
讲,某些功率器件可下作」高的结
温度,但该更高的结温度会在线绑
Figure 2. 1200 V IGBT chip size trend by
Infineon: NPT(Gen1-2), Fieldstop(Gen3-5