IGBT模块在电动汽车中的应用

 电动控制系统：用电控系统的IGBT模块成本约占整车成本10%

车载空调控制系统

充电系统

电控系统的原理如下图：

2 IGBT模块性能及可靠性要求
电动汽车用IGBT面临的挑战：

工作环境温度变化幅度大

个人驾驶习惯差异大

路况复杂

电机峰值功率高

输出功率变化频繁

可靠性要求高，工作寿命长，失效后影响大

定制化要求：体积、重量、形状

IGBT性能要求

额定电压VCES：考虑充满电后的电池电压、寄生电感、di/dt等的影响，一般为电池电压的两倍以上

额定电流IC：考虑电机的峰值功率

工作频率：

VCEsat需为正温度系数，尽量低，关断软度好

安全工作区：短路耐量高、RBSOA大，最好具有一定的雪崩耐量

Tjmax≥150℃

模块热阻低，热容大

EMI

IGBT可靠性要求：
测试项目                   测试条件及要求：
温度循环                   (TC) -40℃～125℃，≥1000 cycles
热冲击测试              (TS) -40℃～125℃，≥100 cycles
机械振动                  (MV) ≥10g，2hrs per axis(x,y,z)
机械冲击                  (MS) ≥100g，3次,每个方向（±x,±y,±z）
高温存储                  (HTS) Ta=150℃，≥1000hrs
低温存储                  (LTS) Ta=-40℃，≥1000hrs
高温反向偏              (HTRB) ≥1000hrs，80% VCES，VGE=0，Tj=150℃
高温栅极偏压          (HTGB) ≥1000hrs，Tj=150℃
高温高湿存储          (H3TRB) ≥1000 hrs，Ta=85℃，RH=85%, 80%VCES，最大不超过100V
压力锅试验             (AC) ≥96hr，15psig，RH=100%，Ta=121℃
功率循环                 (PC) △Tj=100K，≥30000 cycles
3 IGBT在电动汽车应用中的失效：
IGBT芯片失效：

• 过热

• 过压

• 过流

• 动态失效

模块的老化失效：

• 电极端子、外壳

• 焊接层

• 芯片键合线

其他失效：腐蚀等
IGBT常见失效：
过热失效：

环境温度高

温度保护点设置不合适，温度保护不及时

电流过大，器件损耗过高

热容低

热阻高

过压失效：

• 器件耐压余量不够

• 寄生电感大

• 吸收电路

• 过流保护时关断不合理

过流失效：启动、急加速、急减速、半坡起步、电机堵转/卡死

IGBT常见失效—电极脱落
电极脱落：

电极结构设计不合理

电极焊接工艺

装配

衡量方法：机械振动/冲击

IGBT常见失效—焊接分层

材料热膨胀系数和韧性

焊料成分

焊料厚度

焊接面积

衡量方法：温度循环/冲击

IGBT常见失效—键合线失效

键合线有大电流通过时，键合线会发生振动

键合线和Si热膨胀系数不一致，在Tj变化的过程中发生原子重构导致键合线断裂

衡量方法：功率循环

影响因素

• 键合工艺

• 键合线成分

• 芯片表面金属化工艺及成分

4 主要车用IGBT模块
HEV IGBT模块

两组三相全桥

IGBT额定电压：850V

IGBT芯片集成温度、电流传感器

双面散热IGBT模块

采用可焊正面金属工艺，单管封装

将单管IGBT双面散热器散热

直接水冷IGBT模块

三相全桥IGBT

650V, 200A/400A/800A

插针状底板，可直接水冷，热阻降低50%以上

无焊接IGBT模块

三相全桥，600V, 600/900A;1200V,300A/450A

芯片与DBC之间采用烧结工艺

信号端子为弹簧电极

主电极和DBC上的连接方式为压接

DBC与底板连接方式为压接，无TC失效问题