汽車行業(yè)目前正在經(jīng)歷一個(gè)重大的技術(shù)變革時(shí)期，這已經(jīng)是個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。過去100多年里，內(nèi)燃機(jī)引擎中都在使用燃油泵和活塞，而現(xiàn)在正在被鋰離子電池、逆變器和IGBT所取代。簡(jiǎn)言之，汽車正在變得更加電子化。汽車的第一次電子化可能僅僅被看作是增加其電子含量的演練，或在適應(yīng)現(xiàn)有的非汽車系統(tǒng)(如高壓工業(yè)驅(qū)動(dòng)器)，最終適應(yīng)汽車中的應(yīng)用。然后，采用這種方法將會(huì)大大低估可能面臨的挑戰(zhàn)。在功率和電壓等級(jí)方面，就目前的相似度而言，它們都與相關(guān)的工業(yè)離線應(yīng)用類似。在汽車世界里，空間和重量都受到限制，而且環(huán)境也很惡劣，0ppm(ppm=不合格品個(gè)數(shù)*1000000/批量)質(zhì)量至關(guān)重要，而讓問題變得更加嚴(yán)重的是，純電動(dòng)車(EV)中的能源供應(yīng)是有限的，因此效率就成為關(guān)鍵所在。所以，我們還不能忽略對(duì)于低成本系統(tǒng)的需求，要與內(nèi)燃機(jī)引擎(在過去幾十年里，這一技術(shù)在魯棒性、可靠性和出色的功率密度方面進(jìn)行了優(yōu)化)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。這是一個(gè)新興的市場(chǎng)，需要專門基于這一因素開發(fā)半導(dǎo)體解決方案！

 

在眾多電動(dòng)汽車中，需求最多的便是主逆變器，在這里，采用專門針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)的芯片和封裝解決方案至關(guān)重要。在(H)EV發(fā)展早期，普遍采用工業(yè)"磚"型模塊(這些最初是設(shè)計(jì)用于工業(yè)離線應(yīng)用)，因此對(duì)于汽車的功率密度以及有限結(jié)構(gòu)因數(shù)的限制基本沒有考慮。它們一般包括IGBT和二極管，額定電壓為600V或1200V，結(jié)溫最高達(dá)到150℃。在室溫范圍內(nèi)，短路保護(hù)性能限制在6μs。在汽車世界中，一個(gè)重要的因數(shù)是工作溫度范圍，其最低可以達(dá)到-40℃，在更低的溫度下，IGBT和二極管的BV(擊穿電壓)下降，器件處理電壓峰值時(shí)，潛在的會(huì)帶來(lái)一些問題。為此，采用具有更高BV的功率元件將會(huì)受益，CooliRIGBT Gen 2平臺(tái)便是一個(gè)示例。

 

超薄晶體IGBT技術(shù)，額定電壓為680V，24A至600A的芯片尺寸，在-40℃溫度，最低600V的BV下，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的Vce(on)性能。與此相配合的性能主要針對(duì)在175℃的結(jié)溫下運(yùn)行的器件，不止限制時(shí)間量(如一些替代技術(shù))，而且溫度始終為175℃。因?yàn)榫哂懈叩腂V的緣故，更高的電壓峰值可以適應(yīng)系統(tǒng)，因此降低了對(duì)于高成本解決方案的需求，這可以限制電感，又或者，系統(tǒng)的確可以更快的轉(zhuǎn)換，獲得更多的優(yōu)勢(shì)，如降低電機(jī)尺寸。與器件的主逆變器的保護(hù)相關(guān)的高功率水平顯然是非常重要的，對(duì)于這種高溫環(huán)境下開關(guān)的短路保護(hù)性能同樣也非常重要。CooliRIGBT器件能夠針對(duì)性能平衡進(jìn)行優(yōu)化，但是一般是設(shè)計(jì)用于處在150℃，至少6μs的短路保護(hù)時(shí)間。保護(hù)特性通過芯片上的電流感應(yīng)最終完成。圖1總結(jié)了新的IGBT平臺(tái)的一些特性。 　　

圖1：CooliR IGBT和CooliR二極管特性的總結(jié)

　　

為了保證最佳的系統(tǒng)效率，必須采用一個(gè)適當(dāng)?shù)亩O管與IGBT相搭配。圖1還介紹了CooliRDIODE Gen 2，這是一款超薄芯片，680V的超快速軟件恢復(fù)二極管，提供了無(wú)振鈴性能。Err和Vf根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行平衡，很重要的一點(diǎn)是認(rèn)識(shí)到針對(duì)空調(diào)應(yīng)用，Err和Vf的平衡將與主逆變器的需要有所不同。最終，24至600A的二極管系列，都根據(jù)典型的應(yīng)用，在每個(gè)電流水平上得到優(yōu)化。近年來(lái)，對(duì)于稀土金屬供應(yīng)及成本的關(guān)注不斷增加，促使電機(jī)廠商不得不尋求替代解決方案。電機(jī)變得更小型、更輕巧，而且同時(shí)還需要15~20kHz的頻率范圍(傳統(tǒng)頻率為5-10kHz)，這種情況現(xiàn)在變得越來(lái)越普遍。與此相對(duì)應(yīng)，這需要具有優(yōu)異的高速度開關(guān)性能的IGBT和二極管，以保證開關(guān)損耗不會(huì)變得不可管理。更高的頻率還意味著必須把關(guān)注點(diǎn)放在寄生電感、特別是封裝上面。

在功率半導(dǎo)體的早期，對(duì)于研發(fā)投入大量資金的關(guān)注點(diǎn)是提高芯片的性能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)變得越來(lái)越好，關(guān)注的重點(diǎn)也開始轉(zhuǎn)移到封裝上面。封裝畢竟是影響系統(tǒng)的一個(gè)因素--無(wú)論從電子方面還是散熱方面上。圖2總結(jié)了封裝能夠?qū)ο到y(tǒng)產(chǎn)生的影響--從根本上講，如果放置在一個(gè)較差的封裝中，系能優(yōu)異的半導(dǎo)體器件僅能實(shí)現(xiàn)極少的價(jià)值。

圖2：半導(dǎo)體封裝對(duì)于功率電子系統(tǒng)的影響

 

成本、可靠性和電子性能及熱性能都會(huì)受到封裝的直接影響。但是封裝的另外一個(gè)特性也變得越來(lái)越重要--即結(jié)構(gòu)因數(shù)。由于OEM推動(dòng)了功率、效率、可升級(jí)性和可靠性要求的提升，因此，成本、重量、尺寸和電感都被要求降低。功率電子集成到電機(jī)和制冷設(shè)備中的能力日益提高，這帶來(lái)了很大的價(jià)值。傳統(tǒng)的電源模塊通常只能為緊湊型機(jī)電一體化提供非常有限的范圍，而且確實(shí)，如果選擇了這種解決方案，定制化電源模塊將會(huì)很快就變得更昂貴，也更加的死板。在這樣的功率水平下，我們認(rèn)為分立式元件難于應(yīng)用，或者真正可用的解決方案根本不能夠處理足夠的功率。最初被棄用的"分立式"方法現(xiàn)在要被主逆變器重新訪問，因?yàn)樾枰娮釉蜋C(jī)機(jī)械元件更加緊湊的集成。

　　

目前，在量產(chǎn)中的一種解決方案是采用超級(jí)TO-247封裝。搭載一個(gè)120A IGBT和二極管的AUIRGPS4067D1器件同時(shí)還允許可升級(jí)的解決方案，典型地，用來(lái)滿足30至80kW范圍主逆變器。與傳統(tǒng)TO-247封裝(如圖3所示)相比，專利型超級(jí)TO-247封裝具有一些獨(dú)有的特性：首先是采用一個(gè)夾子將部件附著在散熱器上，除去了傳統(tǒng)TO-247封裝上出現(xiàn)的螺絲孔，將封裝內(nèi)部的空間最大化，以容納最大可能的芯片。為了與芯片的大電流處理性能相配置，特有的切角引線實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)TO-247封裝高出30%的橫截面積，從而提高了他們的電流處理性能，并且使得器件運(yùn)行溫度更低，有更少的寄生電感。切角橫截面同樣可以使器件能安裝到標(biāo)準(zhǔn)TO-247封裝里。封裝上，引腳之間的溝槽增加了爬電距離。最終，符合AEC-Q101的部件要經(jīng)受苛刻的最后測(cè)試程序，它包括了正方形RBSOA和100%箝位電感負(fù)載測(cè)試。

圖3：專利型超級(jí)TO-247封裝的優(yōu)勢(shì)

　　

簡(jiǎn)化廠商成本和柵極驅(qū)動(dòng)要求的努力不斷推進(jìn)，客戶希望在其應(yīng)用中降低并聯(lián)的IGBT和二極管的數(shù)量，因此要求大面積芯片的解決方案。由于最新的IGBT和二極管技術(shù)是基于超薄芯片技術(shù)，當(dāng)你從超級(jí)TO-247這樣的傳統(tǒng)分立式封裝中搬出，構(gòu)建、處理基至是測(cè)試這樣的半導(dǎo)體元件就會(huì)充滿挑戰(zhàn)?；谶@種原因，可以容納大的IGBT和二極管芯片的分立式封裝價(jià)值巨大，它們都完全經(jīng)過測(cè)試并且易于安裝。CooliRDIE就是正在開發(fā)的解決方案這一。DBC封裝的殼內(nèi)包括一個(gè)680V, 300A IGBT和一個(gè)二極管對(duì)，每個(gè)芯片都具有可焊接前端金屬表面處理。圖4給出CooliRDIE封裝理念的概覽。

圖4：CooliRDIE封裝

　　

整個(gè)無(wú)鉛CooliRDIE都是完全的動(dòng)態(tài)供應(yīng)并經(jīng)過靜態(tài)測(cè)試，達(dá)到其卷帶封裝上的額定電流。這就使得客戶能夠采用一處標(biāo)準(zhǔn)的選擇并將機(jī)器安置到已經(jīng)準(zhǔn)備好的帶焊盤準(zhǔn)的基座上，處理300A的超薄IGBT和二極管產(chǎn)品。這一部件回流到基底，取代了與大功率模塊相關(guān)的線步驟。省去引線鍵合，提高了可靠性和良率，并且降低了成本、寄生電阻和電感。這些器件可采用兩種版本(正裝和倒裝芯片)，可以在一個(gè)單獨(dú)的基底上形成非常緊湊的半橋布局，無(wú)需復(fù)雜的布局模式（如圖5所示）。

圖5：采用CooliRDIE的緊湊型半橋構(gòu)建

 

事實(shí)上，封裝兩端上的電子連接甚至還可以允許封裝用作總線，可以使用一些能夠快速升級(jí)的創(chuàng)新型的逆變器布局，如圖6所示。

圖6：采用CooliRDIE的可升級(jí)逆變器設(shè)計(jì)

　　

將可焊接前端金屬增加到硅片上，意味著芯片可以在兩面進(jìn)行焊接，因此去除了對(duì)于焊線的需求。這同樣還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，釋放出了傳統(tǒng)用于焊線的芯片頂部空間--而現(xiàn)在這種空間可用于冷卻。通過從兩面對(duì)部件進(jìn)行制冷的性能，可以將電流處理性能提升50%--或者確實(shí)降低相似工作點(diǎn)上的芯片尺寸，并進(jìn)而降低成本。如果無(wú)需雙面制冷，那么僅僅的增加一個(gè)頂端的散熱量就可以證明其在提高組裝的散熱性能方面非常有效，進(jìn)而可以幫助提升短時(shí)間峰值電流能力。

　　

省去焊線不僅可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)并提高冷卻，同時(shí)還可以增強(qiáng)電子性能。采用CooliRDIE封裝的600A半橋模塊已經(jīng)構(gòu)建起來(lái)，展示了低于12nH的回路電感，允許器件可以更快地開關(guān)，限制了電壓擊穿并提高了效率。最終，像這種無(wú)焊線封裝概念具有極低的封裝電阻--大概比傳統(tǒng)的焊線組裝低出0.5mΩ。在一個(gè)大的電源系統(tǒng)上，如(H)EV的主逆變器上，半毫歐看起來(lái)像一個(gè)無(wú)關(guān)僅要的小數(shù)據(jù)，但事實(shí)上卻并非如此。由于所涉及的電流非常高，因此，在400A的電流下，節(jié)省0.5mΩ的電阻可以減少80W無(wú)用功耗。在電阻中的這種節(jié)省是提高效率的一個(gè)積極步驟，并最終提升了汽車運(yùn)行里程。

　　

起初看似過于復(fù)雜，甚至可能沒有必要談及集成的功率電子和機(jī)械組裝。但是達(dá)到機(jī)電一體化的更高水平不僅在于更小型、更輕便和更高效率汽車方面，對(duì)于終端客戶有益，同時(shí)還在系統(tǒng)級(jí)上開啟了令人關(guān)注的潛在可能，可以提高電子性能，并且實(shí)現(xiàn)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品差異化。通過提供針對(duì)汽車應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的芯片，在提供了傳統(tǒng)模塊中所有電子和散熱性能的封裝中，靈活的分立式引腳布局允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者使其創(chuàng)建的系統(tǒng)可以真正的富于想象力和首創(chuàng)理念，從而使得更多的電動(dòng)汽車成功實(shí)現(xiàn)。