純電動(dòng)汽車(chē)和混動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)伴隨著(zhù)全球環(huán)保意識的提高而增長(cháng)。功率半導體模塊已經(jīng)成為決定電動(dòng)汽車(chē)性能的重要組成部分。特別是近年來(lái)，隨著(zhù)市場(chǎng)的增長(cháng)，動(dòng)力系統的多元化要求大功率、高功率密度和大容量的功率模塊。
為了響應汽車(chē)市場(chǎng)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(chēng)為大功率J1系列新型高功率IGBT模塊被開(kāi)發(fā)出來(lái)。大功率J1系列IGBT模塊采用6合1內部電路結構、直接主端子綁定結構（DLB）、直接冷卻結構、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)化結合成功地提高了致力于電動(dòng)汽車(chē)應用的大功率J1系列IGBT模塊的性能。大功率J1系列模塊的外觀(guān)和內部電路結構如圖1和圖2所示，其尺寸以及相應的額定電流和電壓規格如表1所示。
1.2 封裝技術(shù)
相對于三菱電機之前推出的J系列和J1 系列汽車(chē)級IGBT模塊，進(jìn)一步提高電壓電流能力、應用于電動(dòng)汽車(chē)的帶有散熱鋁柱的大功率J1系列IGBT模塊內部結構如圖3所示。此類(lèi)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構、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）內含的大尺寸的引線(xiàn)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條件下的大功率應用是非常危險的問(wèn)題。然而，通過(guò)采用優(yōu)化的內部功率引線(xiàn)和硅片布置可以消除P-N端子間的磁通，新開(kāi)發(fā)的大功率J1系列模塊成功地實(shí)現低自感。圖4給出新開(kāi)發(fā)的大功率J1系列對比傳統設計的電感仿真結果。
與更傳統封裝的產(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)化的冷卻鋁柱結構結合高效的第7代CSTBTTM/RFC二極管硅片技術(shù)的結果。除了冷卻鋁柱比冷卻銅柱具有較低的導熱能力外，選擇鋁制冷卻柱對于EV/HEV應用來(lái)說(shuō)是有一些優(yōu)點(diǎn)的，其中，最顯著(zhù)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(shí)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(lái)防止被腐蝕。另外，鋁的輕量化有助于減少EV/HEV的電費和燃料消耗。
另外，大功率J1系列在導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。與傳統的J系列T-PM逆變器方案相比，導熱能力提高了20%（如圖7所示）。同時(shí)，層數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用于三相EV/HEV馬達驅動(dòng)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)的試驗結果
結合水冷散熱器，在如下條件下通過(guò)實(shí)驗驗證了大功率J1系列650V/1000A IGBT模塊的功率處理能力：電池電壓=450V，PWM開(kāi)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特性參數取典型值。類(lèi)似地，大功率J1系列1200V/600A IGBT模塊的實(shí)驗條件如下：電池電壓=600V，PWM開(kāi)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特性參數取典型值。
在這些應用條件下，650V/1000A模塊在其最高運行結溫低于150℃的情況下的最大逆變輸出電流可超過(guò)600Arms（相應逆變器輸出功率可超過(guò)120kW）。而1200V/600A模塊在其最高運行結溫低于150℃的情況下的最大逆變輸出電流可超過(guò)400Arms（相應逆變器輸出功率可超過(guò)120kW）。這些實(shí)驗結果如圖8和圖9所示。
如此有吸引力的良好結果是通過(guò)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需求的驅動(dòng)，這反映在通過(guò)采用改進(jìn)內部結構來(lái)達到優(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(guò)在IGBT硅片結構上增加額外的載流子層，CSTBTTM硅片能通過(guò)同時(shí)減少飽和壓降和關(guān)斷損耗來(lái)達到更高的效率。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硅片性能的持續改進(jìn)?？紤]到J1系列創(chuàng )新型封裝設計導致的超緊湊性（功率模塊體積小于0.68升），通過(guò)采用第7代IGBT硅片來(lái)實(shí)現超高功率密度是顯而易見(jiàn)的。
2、結 論
已開(kāi)發(fā)的新型高功率密度IGBT模塊“大功率J1系列”被用來(lái)滿(mǎn)足逐步發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)和混動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)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(guò)結合優(yōu)化的封裝結構技術(shù)和最先進(jìn)的硅片技術(shù)（第7代CSTBTTM 和RFC二極管）來(lái)實(shí)現的?？偠灾?，大功率J1系列IGBT模塊能實(shí)現寛范圍逆變器運行，從而滿(mǎn)足不同種類(lèi)的電動(dòng)汽車(chē)和混動(dòng)汽車(chē)的應用要求。
3、參考文獻
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 CSTBTTM with 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.
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