应用于电动汽车的新型高功率密度IGBT模块

# 技术文库 2018-11-09 16:25 来源：中国电力电子产业网

　　引言

　　纯电动汽车和混动汽车市场伴随着全球环保意识的提高而增长。功率半导体模块已经成为决定电动汽车性能的重要组成部分。特别是近年来,随着市场的增长,动力系统的多元化要求大功率、高功率密度和大容量的功率模块。

　　为了响应汽车市场对功率模块的基本要求,如大功率、高可靠性、紧凑性和高效率,被称为大功率J1系列新型高功率IGBT模块被开发出来。

　　大功率J1系列IGBT模块采用6合1内部电路结构、直接主端子绑定结构(DLB)、直接冷却结构、第7代存储载流子沟道型双极晶体管硅片技术(CSTBTTM)和RFC二极管硅片技术。

　　这些技术的最优化结合成功地提高了致力于电动汽车应用的大功率J1系列IGBT模块的性能。大功率J1系列模块的外观和内部电路结构如图1和图2所示,其尺寸以及相应的额定电流和电压规格如表1所示。

　　封装技术

　　相对于三菱电机之前推出的J系列和J1 系列汽车级IGBT模块,进一步提高电压电流能力、应用于电动汽车的带有散热铝柱的大功率J1系列IGBT模块内部结构如图3所示。

　　此类新6合1模块的几种典型封装特征包括高可靠的直接主端子绑定结构、紧凑型尺寸、轻重量和大功率处理能力。大功率能力模块(如650V/1000A和1200V/600A)内含的大尺寸的引线和功率端子增大了其封装尺寸,通常大封装比小封装具有更大的自感,而这对于在高di/dt条件下的大功率应用是非常危险的问题。

　　然而,通过采用优化的内部功率引线和硅片布置可以消除P-N端子间的磁通,新开发的大功率J1系列模块成功地实现低自感。图4给出新开发的大功率J1系列对比传统设计的电感仿真结果。

　　与更传统封装的产品(J系列T-PM)相比,新的大功率模块的封装尺寸减少了50%(如图5所示)。大功率J1系列模块尺寸减少是优化的冷却铝柱结构结合高效的第7代CSTBTTM/RFC二极管硅片技术的结果。

　　除了冷却铝柱比冷却铜柱具有较低的导热能力外,选择铝制冷却柱对于EV/HEV应用来说是有一些优点的,其中,最显著的优点是直接暴露于冷却剂下铝的抗腐蚀能力以及与采用J系列6合1 IGBT模块的逆变器方案相比时重量可减少70%(如图6所示)。

　　铝不像铜那样易受电化学腐蚀,如果铜柱被使用,就需要用厚的镀镍层来防止被腐蚀。另外,铝的轻量化有助于减少EV/HEV的电费和燃料消耗。

　　另外,大功率J1系列在导热路径上消除了两层,一层是散热基板和底板之间的焊接层,另一层是底板和水冷散热器之间的硅脂层。与传统的J系列T-PM逆变器方案相比,导热能力提高了20%(如图7所示)。同时,层数的减少也有助于温度循环能力的改善。

　　图5、图6、图7所示的方案对比是基于应用于三相EV/HEV马达驱动的相同电压/电流等级的IGBT模块。

　　采用最新的硅片技术的试验结果

　　结合水冷散热器,在如下条件下通过实验验证了大功率J1系列650V/1000A IGBT模块的功率处理能力:

　　电池电压=450V,PWM开关频率=5kHz/10kHz,冷却水温度(Tw)=65℃,冷却水流速=10L/min,热阻IGBT-Rth(j-w)取最大值,IGBT特性参数取典型值。

　　类似地,大功率J1系列1200V/600A IGBT模块的实验条件如下:

　　电池电压=600V,PWM开关频率=5kHz/10kHz,冷却水温度(Tw)=65℃;冷却水流速=10L/min,热阻IGBT-Rth(j-w)取最大值,IGBT特性参数取典型值。

　　在这些应用条件下,650V/1000A模块在其最高运行结温低于150℃的情况下的最大逆变输出电流可超过600Arms(相应逆变器输出功率可超过120kW)。而1200V/600A模块在其最高运行结温低于150℃的情况下的最大逆变输出电流可超过400Arms(相应逆变器输出功率可超过120kW)。

　　这些实验结果如图8和图9所示。