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功率器件在混合动力汽车(HEV)中的应用
[导读]混合动力汽车(HEV)市场的增长在很大程度上取决于每加仑/英里这一能耗指标及追加投入的每个硬币所带来的好处以及混合系统现场的可靠性。消费者将混合汽车与标准汽车进行比较，并期待在整体更低拥有成本的前提下起码具
(HEV)市场的增长在很大程度上取决于每加仑/英里这一能耗指标及追加投入的每个硬币所带来的好处以及混合系统现场的可靠性。消费者将混合汽车与标准汽车进行比较，并期待在整体更低拥有成本的前提下起码具有同样的性能和可靠性。混合汽车增加的成本必须在拥有期间通过节省燃料和维护成本得到回报。
用在HEV中逆变器和dc-dc转换器中的功率模块和其内的功率器件是主要的性能、可靠性和成本驱动器。效率、功率密度和特定功率是一些关键性能指标。最重要的可靠性规范是热循环和功率循环。
混合动力汽车的分类
在混合汽车驱动系统中，需将一或几个电机与燃烧引擎一起使用。可根据混合程度和系统架构对混合汽车进行分类。可被分为微(micro)级、轻度(mild)级和完全(full)级的混合程度决定电机执行的功能。该分类还决定所需的功率级及优选的系统架构。
串行、并行和功率分配是最常用的架构。对一款特定车辆来说，混合程度和系统架构的选择主要取决于所需的功能、车辆大小、行驶年限及设定的燃油经济性指标。每个混合系统的功率电子内容各不一样，它取决于功能、功率要求和架构。
当仅需要启动-停止功能时(例如旅行车场合)，用一个集成起动器/交流发电机系统代替了起动器和交流发电机的并行微混合的方法就很通用。在这些系统中，电压和功率等级相对较低，其油耗的改进在10%左右。
除启动-停止功能外，当需要时，一个轻度混合系统可提升/辅助引擎功率，另外，它还从再生制动中获取能量，从而可将油耗的改进提升到15%左右。增加的功能需要更高的能耗，所以要采用高压器件(80 V 到600 V)。
若以完全电子模式运行车辆，则需要一个具有高压和大电流能力的完全混合系统。根据应用，完全混合系统可具有串行、并行和功率分配架构，它可将油耗降低35%。
HEV系统中功率电子面临的挑战
HEV系统中的功率电子需高效地将能量从dc转至ac(电池到电机)、从ac转至dc(发电机到电池)及从dc 到dc(对升压转换器来说，是从低的电池电压到高的逆变器输入电压；对降压转换器来说是从高压电池到低压电池)。因在该能量转换中，要对高压和大电流进行开关，所以需采用具有最低损耗的功率器件技术。对较低的系统电压和电流来说，MOSFET技术比IGBT有更好的功率密度，它们用在微混合应用中。对轻度混合应用来说，当系统电压高于120V时，IGBT是首选器件。对全混合应用来说，600V到1200V的IGBT是使用的唯一器件。
一般来说，传统的NPT IGBT在导通损耗和开关损耗特性间有一个平衡。若导通损耗降低则开关损耗增加。英飞凌的沟道FieldStop IGBT及配套的EmCon二极管技术与传统器件相比，在增加芯片电流密度的同时减小了导通和开关损耗。通过采用一个场截止(fieldstop)层来得到更低损耗，该层减小了器件厚度并降低了通过器件的压降。图1显示了平面和沟道器件所用不同IGBT技术的截面层。另外，Field-Stop器件可连续工作在150 &C(最高175 &C)的结温度，该特性强化了芯片电流密度并使采用更高的冷却温度变得更容易。
嵌放在一个便利封装内的功率模块可承受极端温度环境、震动及其它恶劣环境条件。除器件工作引起的温度变化外，环境温度变异及车内产生的振动带来可靠性挑战。在混合汽车应用中功率模块预期的使用寿命是15年/15万英里，所以在设计该模块时，要使其能具有期望的可靠性。例如，在某些情况，更高的器件性能会对模块的稳定性产生不良影响。从器件技术的角度讲，某些功率器件可工作于高的结温度，但该更高的结温度会在线绑定接口产生更高温度，从而降低模块功率周期的稳定性。因此，需建立一整套全面的器件和封装技术规范来优化性能、可靠性和成本。
混合车用功率半导体模块
应用需要功率模块具有高电流密度，这也就意味着每单位电流容量具有更小的体积。器件越小，包纳其于其内的底层也就越小，结果就得到一个模块虽小但功率密度更高的模块。图2显示的是英飞凌预期的1200V器件体积的减小情况。显然，与NPT器件相比，FieldStop器件显著缩小了体积。
封装设计和互连技术对模块的寄生感应产生很大影响，它们也可被用来改进功率密度。另外，选择的材料也会对性能和可靠性产生影响。例如，氮化硅底层的成本比氧化铝底层的成本高很多，但前者的热性能明显好于后者。同样，昂贵的铝硅碳化物基板也比便宜的铜基板具有高得多的热循环可靠性。
当为HEV设计功率模块时，需在设计开始就明确关键的障碍。需采用恰当的器件技术、底层布局和封装技术以满足性能、可靠性和成本目标。表1显示了三种模块在性能和可靠性方面的对比，它们分别是：用于工业可变速驱动的标准半桥62mm模块、用于轻度混合的六单元(six-pack)HybridPACK1模块(图3)和用于全混合的六单元(six-pack)HybridPACK2模块。
在全部三种模块内，都采用了相同的600V沟道FieldStop器件技术，但采用的封装技术不同。62mm和 HybridPACK1模块实现的器件电流是400A(每开关各有两个200A IGBT和两个200A二极管)，而HybridPACK2模块的电流是800A(每开关各有四个200A IGBT和四个200A二极管)。用于62 mm、HybridPACK1和HybridPACK2模块功率和信号热连接的封装技术分别采用的是：焊接、线绑定和超声波焊接。通过布局改良及采用线绑定的功率和信号热连接，HybridPACK1模块的功率密度已比62mm模块提升了50%。虽然寄生感应增加了50%，但对600V器件来说，这并非一个主要问题，因为在轻度混合应用中最坏的系统电压情况在200V以下。
通过创新的超声波焊接工艺和改进的布局，HybridPACK2模块的功率密度增加了120%以上。多个线连接及为了移动绑定工具分配的空间使线绑定热连接在封装内很占空间；超声波焊接则省去了该空间且速度也比线绑定工艺快。另外，线绑定的电流输送能力有限。因厚的铜终端在超声波焊接时与底层融固在一起，所以，超声波焊接的电流载运能力不受限制。更紧凑的封装还显著降低了HybridPACK2封装的自感。对全混合应用来说，因系统电压会高于400V，且大电流会产生很大的dI/dt，所以低的寄生感应很重要。
模块的热阻抗主要取决于每开关所占的芯片面积、模块的材料堆叠及底层布局。材料堆叠特性直接影响模块的热阻抗，而布局则增加了交叉传导部分。在62mm和HybridPACK1模块中，采用了平的铜基层，而HybridPACK2则采用集成的针翅管(pin-finned)铜基层。对带有平基层的模块来说，需将导热脂和散热层的热阻抗加起来以得到&从结到环境&的热阻抗。借助拿掉了导热脂层并直接将底层与针翅管基板焊接在一起，从而显著改善了HybridPACK2模块的热阻抗表现。
模块内临近材料的热扩展不匹配将使连接部位产生压力形变并最终导致故障。最大的压力产生在铜基板上为与底层焊接在一起所涂覆的焊料点上。为加强可靠性，模块制造商传统上采用氮化铝底层与铝硅碳化物基板的组合，此举显著增加了成本。为替代昂贵的铝硅碳化物，英飞凌开发出采用铜基板和改进的氧化铝底层的HybridPACK1和HybridPACK2模块。这种材料组合可满足可靠性目标要求，但成本却降低了很多。汽车的可靠性目标是从-40 &C到125 &C的1000次循环。
功率模块的性能、可靠性和成本是HEV市场增长的主要驱动器。为降低成本，需降低功率模块内器件的功率密度和结温度。英飞凌的沟道FieldStop IGBT和EmCon就是在增加结温度的同时可降低导通和开关损耗的这样一类器件。通过采用高效的功率器件和超声波焊接技术可显著改进模块的功率密度；同样，采用集成的针翅管基层可改进热性能。改进的氧化铝底层和铜基板方法能以低成本为HybridPACK模块提供最优异的可靠性。对全混合应用来说，HybridPACK2是一款优异的模块，它提供了高功率密度、低自感、低热阻及最佳可靠性和最低成本。
REFERENCES
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关键词：逆变器
1.光伏发电逆变器主电路
太阳能电池一般是电压源，因此逆变器的主电路采用电压型，太阳能光伏发电系统用逆变器的三种主电路形式如图1所示。图1（a）是采用工频变压器主电路形式，采用工频变压器使输入与输出隔离，主电路和控制电路简单。为了追求效率，减少空载损耗，工频变压器的工作磁通密度选得比较低，因此重量大，约占逆变器的总重量的50％左右，逆变器外形尺寸大，是最早的一种逆变器主电路形式。
图1（b）是高频变压器主电路形式，采用高频变压器使输入与输出隔离，体积小，重量轻。主电路分为高频逆变和工频逆变两部分，比较复杂，是20世纪90年代比较流行的主电路方式。
图1（c）是无变压器主电路形式，不采用变压器进行输入与输出隔离，只要采取适当措施，同样可保证主电路和控制电路运行的安全性，体积最小，重量轻，而且效率高，成本也较低。主电路包括升压部分和采用高频SPWM的逆变部分，比工频变压器主电路形式要复杂，但是适应输入直流电压范围宽，有利于与太阳能电池进行匹配。尽管由于天气等因素使太阳能电池输出电压发生变化，但有了升压部分，可以保证逆变部分输入电压比较稳定。将成为今后主要的主电路流行方式。
为了使无变压器主电路形式安全运行，必须采取一定的技术措施：首先要使太阳能电池对地电压保持稳定；其次，为了防止太阳能电池接地造成主电路损坏，应检测太阳能电池正极和负极的接地电流（通过零相互感器），如果不平衡电流超过规定值，说明太阳能电池有可能接地，接地保护立即动作，切断主电路输出，停止工作。由于无变压器主电路形式没有变压器对输入与输出隔离，因此逆变器输入端的太阳能电池的正负极不能直接接地，输出的单相三线制中性点接地，因太阳能电池面积大，对地有等效电容存在（正极等效电容和负极等效电容）。该等效电电容将在工作中出现充放电电流，其低频部分有可能使供电电路中的漏电开关误动作而造成停电，其高频部分将通过配电线路对其它用电设备造成电磁干扰，而影响其它用电设备正常工作。对这种对地等效电容电流必须在主电路加电感L1与电容C1组成的滤波器进行抑制，特别是抑制高频部分。而工频部分，可以通过控制逆变器开关方式来消除。当然在太阳能电池与主电路之间，还应当设置共模滤波器，防止对太阳能电池的电磁干扰。
2.电力电子器件
用于太阳能光伏发电系统逆变器（含输入直流斩波级）的功率半导体器件主要有MOSFET、IGBT、超结MOSFET。其中MOSFET速度最快，但成本也最高。与此相对的IGBT则开关速度较慢，但具有较高的电流密度，从而价格便宜并适用于大电流的应用场合。超结MOSFET介于两者之间，是一种性能价格折中的产品，在实际设计中被广为应用。概括地说，选用哪类器件取决于成本、效率的要求并兼顾开关频率。如果要求硬开关在100kHz以上，一般只有MOSFET能够胜任。在较低频段如15kHz，如没有特殊的效率要求，则选择IGBT。在此之间的频率，则取决于设计中对转换效率和成本的具体要求。系统效率和成本之间作为一对矛盾，设计中将根据其相应关系对照目标系统要求确定最贴近系统要求的元件型号。表1为三种半导体开关器件的功率损耗，为了便于比较，各参数均以MOSFET情况作归一化处理，超结MOSFET工艺目前没有超过900V的器件。
除去以上最典型的三类全控开关器件，业界有像碳化硅二极管和ESBT等基于新材料和新工艺的产品。它们目前的价格还比较高，主要应用于对太阳能光伏发电效率有特殊要求的场合。但随着生产工艺的不断进步和器件单价的下降，这类器件也将逐步变为主流产品，甚至替代上述的某一类器件。
（1）单相全桥混合器件模块与三电平混合器件模块
图2所示的混合单相全桥功率模块，是专用于光伏发电系统中单相逆变的产品，配合以单极型调制方法，每个桥臂的两只开关管分别工作在完全相异开关频率范围。以图4-17示为例，上管总是在工频切换通断状态，而下管总是在脉宽调制频率下动作。根据这种工作特点，上管选用相对便宜的门极沟道型(Trench)IGBT以优化通态损耗，而下管可选择非穿通型(NPT)IGBT以减少开关损耗。这种拓扑结构不但保障了最高系统转换效率还降低了整个逆变设备的成本。图3给出了不同器件搭配的转换效率曲线以印证这种功率模块的优越性。可以发现，这种混合器件配置在不同负载下能实现98%以上的转换效率。
在美高森美的三电平逆变模块中，也引入了混合器件机制，充分利用两端器件开关频率远高于中间相邻两器件。因而APTCV60系列三电平模块两端使用超结MOSFET，中间为IGBT的结构，可进一步提高效率。
ESBT是应用于太阳能光伏发电系统中的一种新型高电压快速开关器件，它兼顾了IGBT和MOSFET的优点，不仅电压耐量高于MOSFET，而且损耗小于快速IGBT器件。美高森美即将推向市场的ESBT太阳能升压斩波器模块，集成了碳化硅二极管和ESBT，面向5kW～205kW的超高效率升压应用。其电压为1200V，集电极和发射极间饱和通态电压很低（接近1V），优化开关频率在30kHz～40kHz之间，可选择单芯片模块或双芯片模块封装。实验表明，这种功率模块比目前市场上对应的IGBT模块减少40%的损耗。根据6kW的参考设计实验结果，此模块在50%至满负载之间，转换效率比最快的IGBT器件要提高至少0.6个百分点。因此，在碳化硅全控器件的价格下降到可接受的范围之前，对于超高效率的太阳能光伏功率变换应用，ESBT将是优选开关器件。
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