當(dāng)前，汽車工業(yè)正面臨著金融危機和能源環(huán)境問題的巨大挑戰(zhàn)。發(fā)展新能源汽車，實現(xiàn)汽車動力系統(tǒng)的新能源化，推動傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，在國際上已經(jīng)形成廣泛共識。在這種形勢下，美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，不約而同地將新能源為代表的低碳產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略選擇，都希望通過新能源產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，破解汽車工業(yè)能源環(huán)境制約，培育新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，提升產(chǎn)業(yè)競爭力，發(fā)展低碳經(jīng)濟，實現(xiàn)新一輪經(jīng)濟增長。在太陽能、電能等替代能源真正進入實用階段之前，混合動力汽車因其低油耗、低排放的優(yōu)勢越來越受到人們的關(guān)注。

　　用在HEV中逆變器和dc-dc轉(zhuǎn)換器中的功率模塊和其內(nèi)的功率器件是主要的性能、可靠性和成本驅(qū)動器。效率、功率密度和特定功率是一些關(guān)鍵性能指標(biāo)。重要的可靠性規(guī)范是熱循環(huán)和功率循環(huán)。

　　混合動力汽車的分類

　　混合動力汽車的種類目前主要有3種。一種是以發(fā)動機為主動力，電動馬達(dá)作為輔助動力的"并聯(lián)方式".這種方式主要以發(fā)動機驅(qū)動行駛，利用電動馬達(dá)所具有的再啟動時產(chǎn)生強大動力的特征，在汽車起步、加速等發(fā)動機燃油消耗較大時，用電動馬達(dá)輔助驅(qū)動的方式來降低發(fā)動機的油耗。這種方式的結(jié)構(gòu)比較簡單，只需要在汽車上增加電動馬達(dá)和電瓶。另外一種是，在低速時只靠電動馬達(dá)驅(qū)動行駛，速度提高時發(fā)動機和電動馬達(dá)相配合驅(qū)動的"串聯(lián)、并聯(lián)方式".啟動和低速時是只靠電動馬達(dá)驅(qū)動行駛，當(dāng)速度提高時，由發(fā)動機和電動馬達(dá)共同高效地分擔(dān)動力，這種方式需要動力分擔(dān)裝置和發(fā)電機等，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜。還有一種是只用電動馬達(dá)驅(qū)動行駛的電動汽車"串聯(lián)方式",發(fā)動機只作為動力源，汽車只靠電動馬達(dá)驅(qū)動行駛，驅(qū)動系統(tǒng)只是電動馬達(dá)，但因為同樣需要安裝燃料發(fā)動機，所以也是混合動力汽車的一種。

　　HEV系統(tǒng)中功率電子面臨的挑戰(zhàn)

　　HEV（Hybrid-ElectricVehicle）-混合動力裝置?；旌蟿恿褪侵钙囀褂闷万?qū)動和電力驅(qū)動兩種驅(qū)動方式，優(yōu)點在于車輛啟動停止時，只靠發(fā)電機帶動，不達(dá)到一定速度，發(fā)動機就不工作，因此，便能使發(fā)動機一直保持在工況狀態(tài)，動力性好，排放量很低，而且電能的來源都是發(fā)動機，只需加油即可。混合動力汽車的關(guān)鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力汽車整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動機與電機離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機電機和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。 混合動力總成以動力傳輸路線分類，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等三種。

　　一般來說，傳統(tǒng)的NPT IGBT在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗特性間有一個平衡。若導(dǎo)通損耗降低則開關(guān)損耗增加。英飛凌的溝道FieldStop IGBT及配套的EmCon二極管技術(shù)與傳統(tǒng)器件相比，在增加芯片電流密度的同時減小了導(dǎo)通和開關(guān)損耗。通過采用一個場截止（fieldstop）層來得到更低損耗，該層減小了器件厚度并降低了通過器件的壓降。圖1顯示了平面和溝道器件所用不同IGBT技術(shù)的截面層。另外，F(xiàn)ield-Stop器件可連續(xù)工作在150 °C（175 °C）的結(jié)溫度，該特性強化了芯片電流密度并使采用更高的冷卻溫度變得更容易。

　　嵌放在一個便利封裝內(nèi)的功率模塊可承受極端溫度環(huán)境、震動及其它惡劣環(huán)境條件。除器件工作引起的溫度變化外，環(huán)境溫度變異及車內(nèi)產(chǎn)生的振動帶來可靠性挑戰(zhàn)。在混合汽車應(yīng)用中功率模塊預(yù)期的使用壽命是15年/15萬英里，所以在設(shè)計該模塊時，要使其能具有期望的可靠性。例如，在某些情況，更高的器件性能會對模塊的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。從器件技術(shù)的角度講，某些功率器件可工作于高的結(jié)溫度，但該更高的結(jié)溫度會在線綁定接口產(chǎn)生更高溫度，從而降低模塊功率周期的穩(wěn)定性。因此，需建立一整套全面的器件和封裝技術(shù)規(guī)范來優(yōu)化性能、可靠性和成本。

　　混合車用功率半導(dǎo)體模塊

　　應(yīng)用需要功率模塊具有高電流密度，這也就意味著每單位電流容量具有更小的體積。器件越小，包納其于其內(nèi)的底層也就越小，結(jié)果就得到一個模塊雖小但功率密度更高的模塊。圖2顯示的是英飛凌預(yù)期的1200V器件體積的減小情況。顯然，與NPT器件相比，F(xiàn)ieldStop器件顯著縮小了體積。

　　封裝設(shè)計和互連技術(shù)對模塊的寄生感應(yīng)產(chǎn)生很大影響，它們也可被用來改進功率密度。另外，選擇的材料也會對性能和可靠性產(chǎn)生影響。例如，氮化硅底層的成本比氧化鋁底層的成本高很多，但前者的熱性能明顯好于后者。同樣，昂貴的鋁硅碳化物基板也比便宜的銅基板具有高得多的熱循環(huán)可靠性。

　　當(dāng)為HEV設(shè)計功率模塊時，需在設(shè)計開始就明確關(guān)鍵的障礙。需采用恰當(dāng)?shù)钠骷夹g(shù)、底層布局和封裝技術(shù)以滿足性能、可靠性和成本目標(biāo)。表1顯示了三種模塊在性能和可靠性方面的對比，它們分別是：用于工業(yè)可變速驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)半橋62mm模塊、用于輕度混合的六單元（six-pack）HybridPACK1模塊（圖3）和用于全混合的六單元（six-pack）HybridPACK2模塊。

　　在全部三種模塊內(nèi)，都采用了相同的600V溝道FieldStop器件技術(shù)，但采用的封裝技術(shù)不同。62mm和 HybridPACK1模塊實現(xiàn)的器件電流是400A（每開關(guān)各有兩個200A IGBT和兩個200A二極管），而HybridPACK2模塊的電流是800A（每開關(guān)各有四個200A IGBT和四個200A二極管）。用于62 mm、HybridPACK1和HybridPACK2模塊功率和信號熱連接的封裝技術(shù)分別采用的是：焊接、線綁定和超聲波焊接。通過布局改良及采用線綁定的功率和信號熱連接，HybridPACK1模塊的功率密度已比62mm模塊提升了50%。雖然寄生感應(yīng)增加了50%，但對600V器件來說，這并非一個主要問題，因為在輕度混合應(yīng)用中壞的系統(tǒng)電壓情況在200V以下。

　　通過創(chuàng)新的超聲波焊接工藝和改進的布局，HybridPACK2模塊的功率密度增加了120%以上。多個線連接及為了移動綁定工具分配的空間使線綁定熱連接在封裝內(nèi)很占空間；超聲波焊接則省去了該空間且速度也比線綁定工藝快。另外，線綁定的電流輸送能力有限。因厚的銅終端在超聲波焊接時與底層融固在一起，所以，超聲波焊接的電流載運能力不受限制。更緊湊的封裝還顯著降低了HybridPACK2封裝的自感。對全混合應(yīng)用來說，因系統(tǒng)電壓會高于400V，且大電流會產(chǎn)生很大的dI/dt，所以低的寄生感應(yīng)很重要。

　　模塊的熱阻抗主要取決于每開關(guān)所占的芯片面積、模塊的材料堆疊及底層布局。材料堆疊特性直接影響模塊的熱阻抗，而布局則增加了交叉?zhèn)鲗?dǎo)部分。在62mm和HybridPACK1模塊中，采用了平的銅基層，而HybridPACK2則采用集成的針翅管（pin-finned）銅基層。對帶有平基層的模塊來說，需將導(dǎo)熱脂和散熱層的熱阻抗加起來以得到“從結(jié)到環(huán)境”的熱阻抗。借助拿掉了導(dǎo)熱脂層并直接將底層與針翅管基板焊接在一起，從而顯著改善了HybridPACK2模塊的熱阻抗表現(xiàn)。

　　模塊內(nèi)臨近材料的熱擴展不匹配將使連接部位產(chǎn)生壓力形變并終導(dǎo)致故障。的壓力產(chǎn)生在銅基板上為與底層焊接在一起所涂覆的焊料點上。為加強可靠性，模塊制造商傳統(tǒng)上采用氮化鋁底層與鋁硅碳化物基板的組合，此舉顯著增加了成本。為替代昂貴的鋁硅碳化物，英飛凌開發(fā)出采用銅基板和改進的氧化鋁底層的HybridPACK1和HybridPACK2模塊。這種材料組合可滿足可靠性目標(biāo)要求，但成本卻降低了很多。汽車的可靠性目標(biāo)是從-40 °C到125 °C的1000次循環(huán)。

　　結(jié)論

　　功率模塊的性能、可靠性和成本是HEV市場增長的主要驅(qū)動器。為降低成本，需降低功率模塊內(nèi)器件的功率密度和結(jié)溫度。英飛凌的溝道FieldStop IGBT和EmCon就是在增加結(jié)溫度的同時可降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗的這樣一類器件。通過采用高效的功率器件和超聲波焊接技術(shù)可顯著改進模塊的功率密度；同樣，采用集成的針翅管基層可改進熱性能。改進的氧化鋁底層和銅基板方法能以低成本為HybridPACK模塊提供異的可靠性。對全混合應(yīng)用來說，HybridPACK2是一款優(yōu)異的模塊，它提供了高功率密度、低自感、低熱阻及可靠性和成本。