吳海平 電動汽車中的IGBT模塊

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1234電動汽車中IGBT的工作原理性能及可靠性要求應用中的失效主要車用IGBT模塊

HEV的電氣系統(tǒng)示意圖

DM電氣系統(tǒng)示意圖空調(diào)壓縮機逆變器電池控制箱發(fā)動機M1離合M2驅(qū)動輪主變速齒輪

IGBT是電動汽車中的核心器件之一電動控制系統(tǒng)：用電控系統(tǒng)的IGBT模塊成本約占整車成本10%車載空調(diào)控制系統(tǒng)充電系統(tǒng)內(nèi)有兩組三相全橋IGBT模塊發(fā)動機M1M2驅(qū)動輪主變速齒輪兩個電機需兩組逆變器

電控系統(tǒng)的原理SaSbSc—Sa—Sb—ScIbIcMotorIa電池控制器

電動汽車用IGBT面臨的挑戰(zhàn)工作環(huán)境溫度變化幅度大個人駕駛習慣差異大路況繁雜電機峰值功率高輸出功率變化頻繁可靠性要求高，工作壽命長，失效后影響大定制化要求：體積、重量、形狀

IGBT性能要求額定電壓VCES：考慮充滿電后的電池電壓、寄生電感、di/dt等的影響，一般為電池電壓的兩倍以上額定電流IC：考慮電機的峰值功率工作頻率：VCEsat需為正溫度系數(shù)，盡量低，關(guān)斷軟度好安全工作區(qū)：短路耐量高、RBSOA大，最好具有一定的雪崩耐量Tjmax≥150℃模塊熱阻低，熱容大EMI

IGBT可靠性要求測試項目溫度循環(huán)(TC)熱沖擊測試(TS)機械振動(MV)機械沖擊(MS)高溫存儲(HTS)低溫存儲(LTS)高溫反向偏(HTRB)高溫柵極偏壓(HTGB)3高溫高濕存儲(HTRB)測試條件及要求-40℃～125℃，≥1000cycles-40℃～125℃，≥100cycles≥10g，2hrsperaxis(x,y,z)≥100g，3次,每個方向（x,y,z）Ta=150℃，≥1000hrsTa=-40℃，≥1000hrs≥1000hrs，80%VCES，VGE=0，Tj=150℃≥1000hrs，Tj=150℃≥1000hrs，Ta=85℃，RH=85%,80%VCES，最大不超過100V≥96hr，15psig，RH=100%，Ta=121℃△Tj=100K，≥30000cycles壓力鍋試驗(AC)功率循環(huán)(PC)

IGBT在電動汽車應用中的失效IGBT芯片失效：過熱過壓過流動態(tài)失效模塊的老化失效：電極端子、外殼焊接層芯片鍵合線其他失效：腐蝕等

IGBT常見失效過熱失效：環(huán)境溫度高溫度保護點設置不適合，溫度保護不及時電流過大，器件損耗過高熱容低熱阻高

IGBT常見失效過壓失效：器件耐壓余量不夠寄生電感大吸收電路過流保護時關(guān)斷不合理過流失效：啟動、急加速、急減速、半坡起步、電機堵轉(zhuǎn)/卡死

IGBT常見失效芯片硅膠焊料陶瓷底板鍵合線銅模塊中簡單失效的部位

IGBT常見失效—電極脫落電極結(jié)構(gòu)設計不合理電極焊接工藝裝配衡量方法：機械振動/沖擊電極脫落

IGBT常見失效—焊接分層材料熱膨脹系數(shù)和韌性焊料成分焊料厚度焊接面積衡量方法：溫度循環(huán)/沖擊2520151050SiAl2O3(96%)AlNSi3N4CuCu-MoAlSiCAl溫度循環(huán)次數(shù)(ΔTc=165C)075150225

IGBT常見失效—鍵合線失效鍵合線有大電流通過時，鍵合線會發(fā)生振動鍵合線和Si熱膨脹系數(shù)不一致，在Tj變化的過程中發(fā)生原子重構(gòu)導致鍵合線斷裂衡量方法：功率循環(huán)影響因素鍵合工藝鍵合線成分芯片表面金屬化工藝及成分

HEVIGBT模塊兩組三相全橋IGBT額定電壓：850VIGBT芯片集成溫度、電流傳感器

雙面散熱IGBT模塊采用可焊正面金屬工藝，單管封裝將單管IGBT雙面散熱器散熱

直接水冷IGBT模塊三相全橋IGBT650V,200A/400A/800A插針狀底板，可直接水冷，熱阻降低50%以上

無焊接IGBT模塊三相全橋，600V,600/900A;1200V,300A/450A芯片與DBC之間采用燒結(jié)工藝信號端子為彈簧電極主電極和DBC上的連接方式為壓接DBC與底板連接方式為壓接，無TC失效問題

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