适用于大功率动力马达逆变器的IGBT模块

本文介绍了一种新开发的IGBT模块，适用于纯电动汽车（EV）和混动汽车（HEV）大功率动力马达逆变器的应用。新型IGBT模块采用6合1封装结构、优化的内部引线布置、直接主端子绑定结构(DLB结构)和底板集成铝柱的直接冷却结构，结果使得新型IGBT模块同时达到性能高、自感低、封装紧凑和重量轻。与传统的类似功率等级的产品相比，这些创新技术的采用导致IGBT模块散热能力提高了20%、自感减少了30%、封装减少了50%、重量减少了70%。

1、大功率J1系列功率模块

1.1  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。

1.2  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。

1.3  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。

如此有吸引力的良好结果是通过采用最新的第7代CSTBTTM和RFC二极管硅片技术而得到的。IGBT技术的进步一直受到对更高功率密度和更高效率的持续需求的驱动，这反映在通过采用改进内部结构来达到优化众所周知的饱和压降VCE(sat)vs. 关断损耗Eoff折衷性能之目的的逐代IGBT硅片性能的进步上。通过在IGBT硅片结构上增加额外的载流子层，CSTBTTM硅片能通过同时减少饱和压降和关断损耗来达到更高的效率。第7代IGBT 硅片进一步优化CSTBTTM的饱和压降VCE(sat) vs.关断损耗Eoff折衷性能，如图10所示，它归纳了新一代IGBT硅片性能的持续改进。考虑到J1系列创新型封装设计导致的超紧凑性（功率模块体积小于0.68升），通过采用第7代IGBT硅片来实现超高功率密度是显而易见的。

2、结 论

已开发的新型高功率密度IGBT模块“大功率J1系列”被用来满足逐步发展的电动汽车和混动汽车市场要求。大功率J1系列IGBT模块做到了性能高、自感低、封装紧凑和重量轻，这些有吸引力的特点是通过结合优化的封装结构技术和最先进的硅片技术（第7代CSTBTTM 和RFC二极管）来实现的。总而言之，大功率J1系列IGBT模块能实现寛范围逆变器运行，从而满足不同种类的电动汽车和混动汽车的应用要求。

3、参考文献

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.