汽车应用中的IGBT功率模块

诸如高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件，要求对IGBTIGBT 功率模块功率模块的机械和电气特性给予特别的关注，以便在整个使用寿命期间能确保其性能得到充分发挥，并保持很高的可靠性。本文对IGBT的功率和热循环、材料选型以及电气特性等问题和故障模式进行了探讨。

各种工业应用中通常会使用多达十几种的绝缘栅双极晶体管（IGBT），设计IGBT模块的目的就是为了向某种专门的应用提供最优的性价比和适当的可靠性。图1为现有的IGBT功率模块的主要组成部分。

商用电动车（EV）和混合动力电动车（HEVHEV）的出现为IGBT模块创造了一个新的市场。EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系传动系，IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。根据传动系的概念，逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件（振动和冲击）的考验。

为向汽车设计人员提供高可靠性的标准工业IGBT模块，IGBT设计人员必须特别小心地选择材料和设计电气特性，以得到相似甚至更好的结果。

热循环和热冲击试验

在热循环（TC）期间，待测器件（DUT）交替地暴露于被精确设定的最低和最高温度下，使其管壳的温差（ΔTC）达到80K到100K。DUT处于最低和最高温度的存储时间必须足以使其达到热平衡（即2到6分钟）。此项试验的重点是检测焊接处的疲劳特性。

通过更严格的试验，还可以研究其它部分（如模块的框架）所存在的弱点。热冲击试验（TST），也被称作二箱试验，是在经过扩展的ΔTC的条件下进行的，例如从-40-C到+150+C，其典型的存储时间为1小时。

图1：包括基板在内的IGBT模块构架示意图。

功率循环

在热循环/热冲击试验过程中，从外部加热DUT，而在功率循环（PC）期间，DUT被流经模块内部的负载电流主动地加热。因此，模块内部的温度梯度和不同材料层的温度都比热循环过程中高得多。

模块的冷却是通过主动关断负载电流以及使用外部散热措施来实现的。最典型的是使用水冷散热器，但空气冷却系统也较常用。试验装置能在加热阶段停止水流，待进入冷却阶段后再重新打开水流。通过功率循环，能对绑定线的连接以及焊接处的疲劳特性进行研究。

诸如高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件，要求对IGBT功率模块的机械和电气特性给予特别的关注，以便在整个使用寿命期间能确保其性能得到充分发挥，并保持很高的可靠性。本文对IGBT的功率和热循环、材料选型以及电气特性等问题和故障模式进行了探讨。

商用电动车（EV）和混合动力电动车（HEV）的出现为IGBT模块创造了一个新的市场。EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系，IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。根据传动系的概念，逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件（振动和冲击）的考验。

为向汽车设计人员提供高可靠性的标准工业IGBT模块，IGBT设计人员必须特别小心地

选择材料和设计电气特性，以得到相似甚至更好的结果。

热循环和热冲击试验

图1：包括基板在内的IGBT模块构架示意图。

功率循环

IGBT模块的故障模式

除由超出IGBT模块的电气规范（如过电压和/或过电流）所引起的损害外，还会出现其它一些故障机制。下面将探讨在功率循环、热循环、机械振动或机械冲击试验中出现的一些典型的故障模式。

热循环和特定的热冲击试验能揭示出系统焊锡层（即位于基板和被称作陶瓷衬底的直接键合铜，即DCB之间）的耐久度信息。铜基板和Al2O3陶瓷的标准材料组合在经过600个热冲击试验循环后，系统的焊锡层出现了分层现象。这一试验结果反映出所选材料具有不同的热膨胀系数（CTE）。两种材料的热膨胀系数相差越大，它们对于中间层（即焊锡层）的机械应力就越大。

图2给出了不同材料的热膨胀系数。我们的目标是选用热膨胀系数差别尽可能小的材料来进行组合。但另一方面，并不是每种材料都是首选的，即使它们的热膨胀系数十分匹配，因为材料本身的成本可能会太高，或者在生产过程中难以被加工或加工成本太高。

图2：不同材料的热膨胀系数（CTE）（ppm/K）。

功率循环所引起的故障模式一般位于绑定线的连接位置。通常为绑定线剥离和/或芯片顶部的铝金属化重建。

在某些情况下，还能观察到绑定线跟部出现裂缝。机械和热效应会不断地造成绑定线发生移动，从而引发裂缝，最终材料疲劳会导致绑定线本身出现故障。除功率模块的内部部件外，其外壳也会被外部的极端环境和/或工作条件所损坏。例如出现外壳框架的破裂。

在HEV中，随着IGBT模块安装位置的不同，可能会受到超过5g的机械振动和超过30g 的机械冲击。如果不够坚固，功率端子最终就可能被这些振动/冲击破坏。出现故障的位置位于组装后端子的弯曲部位，微裂隙会在那里产生已损坏的弯曲区域。采用预成型的端子能提高坚固性，其在弯曲边缘不会出现已经损坏的区域，因此具有更高的可靠性。因此，所有用于HEV的英飞凌功率模块都采用这一方法进行设计。

用于HEV的高可靠性IGBT功率模块

为HEV开发的所有IGBT模块都有一个特别的目标，就是提供出色的可靠性、合适的电气特性和最优成本。基于对IGBT功率模块开发的长时间探索，对于新材料的组合与组装技术所

投入的巨大研究精力，以及现代功率半导体芯片的使用，英飞凌已经开发出HEV专用的两个模块系列：HybridPACK1和HybridPACK2。

这两种型号的产品都基于英飞凌领先的IGBT沟道栅场终止技术，能提供最低的导通和开关损耗。其中所选用的600V的第三代芯片能工作在1501C的结温Tj，op下（绝对最大Tj，max=1751C）。

能在六封装配置中容纳高达400A的600V IGBT3和EmCon3二极管的HybridPACK1，适用于气冷或采用低温液体散热的逆变器系统。这些模块拥有3mm铜基板和经过改进的Al2O3 DCB 陶瓷衬底，具有最佳的可靠性和成本；它们是峰值20kW功率级别（单个模块）和全HEV应用的理想选择，而且通过并联还能达到更高的额定功率。

HybridPACK1模块系列采用了下面这些特殊的措施以便在提供高可靠性的同时获得最佳的性价比：

（1）采用铜基板和经过改进的Al2O3陶瓷的组合来减小分层效应，与AlSiC/Si3N4的组合相比，这一组合还具有成本优势；

（2）使用间距物进一步减轻了分层效应；

（3）每相采用了独立的DCB陶瓷，以得到优化的热耦合和热扩散特性；

（4）改进的绑定线工艺增强了功率循环能力；

（5）选择适当的塑料材料和经过优化的工艺参数来避免在温度大幅度摆动下出现破裂；

（6）预成型的功率端子能避免在生产过程中出现微裂痕。

HybridPACK2是专为带有高温液体散热逆变器系统和HEV应用而开发的。作为直接液冷散热的功率模块，其能在散热温度高达1051C的条件下工作。这一模块系列的AlSiC基板上集成有直接插入液体冷却媒质中的鳍片状散热片。此模块具有最大六封装600V/800A IGBT3的配置。

HybridPACK2模块系列采用了下面这些特殊的措施以便在提供高可靠性的同时获得最佳的性价比：

（1）经过优化的AlSiC基板和Si3N4陶瓷的组合来提供最低的分层效应（同类中最佳的解决方案）；

（2）使用间距物进一步减轻了分层效应；

（3）每相采用了独立的DCB陶瓷，以得到优化的热耦合和热扩散特性；

（4）被直接冷却的基板为功率半导体和散热媒质之间提供了最低的热阻。采用此方法，能使Tj降低超过30K（取决于负载条件和芯片配置）；

（5）改进的绑定线工艺增强了功率循环能力；

（6）选择适当的塑料材料和经过优化的工艺参数来避免在温度大幅度摆动下出现破裂；

（7）预成型的功率端子能避免在生产过程中出现微裂痕。

诸如E-Busses和E-Trucks等高功率电动车辆更需要坚固和可靠的IGBT模块。对于这些应用， PrimePACK系列模块是理想的选择。它们具有两种不同的封装形式，并具有采用英飞凌最先进的IGBT4芯片技术（Tj，op=1501C， Tj，max=1751C）的1，200V/1，400A和1，700V/1，000A的最大半桥配置。

PrimePACK模块系列采用了下面这些特殊的措施使得在高可靠性的同时获得最佳的性价比：

（1）采用铜基板和经过改进的Al2O3陶瓷衬底最优组合和制造工艺来减小分层效应；

（2）使用间距物进一步减轻了分层效应；

（3）经过优化的芯片布局能提供最低的热阻，这样可使热阻比上一代（即IHM）的高功率器件降低30%；（4）改进的绑定线工艺增强了功率循环能力；

（5）选择适当的塑料材料和经过优化的工艺参数来避免在温度大幅度摆动下出现破裂；

（6）内部杂散电感被降低（与IHM相比降低了高达60%）；

（7）对DCB陶瓷处的功率端子连接采用超声焊接，以提高机械强度。

本文小结

由于HEV等汽车对于功率半导体模块的可靠性应用具有最高的要求，所以当今的供应商必须保证并满足这一市场要求。针对这类应用，英飞凌推出了具有优化性能和成本的功率半导体模块：HybridPACK和PrimePACK系列产品。此外，英飞凌还将进一步投资用于研发能在更苛刻的功率密度和环境温度条件下提供更高可靠性的未来IGBT模块。

IGBT模块使用温度范围

IGBT模块使用温度范围 1. 温度范围 IGBT模块的运行温度范围是非常重要的参数。一些设备要求工作在室温下，而另一些设备要求工作在很宽的温度范围内（如-40℃~+65℃）。温度和散热对于系统的可靠和有效运行非常重要。如果实际要求IGBT模块工作的电源系统工作在宽温度范围内，也要保证电源系统中的所有功率器件在宽温度范围内可靠地工作。为达到这一目的和最大限度地减少成本，应仔细估算在两个极端温度点处是否需要达到完全的性能指标。实际上，在极端温度点处对IGBT模块的要求越低，构成系统就可以越经济。一些设备要求在很低温度下运行时性能不能打一点折扣，这时系统应能满足所有参数要求。如果有些特性可以降低要求，构成系统的成本将显著降低。降低系统在低温时对非关键参数的要求对降低模块成本有益。在实际应用中，如果规定模块可以在最低温度下启动和在较高一些温度下完全达到性能指标是根有必要的。如果要求在高温环境下工作，一般IGBT模块在高于一定温度值时其功率额定值会降低，即在温升20℃时输出功率减少30%。在实际应用中，通常的工作环境温度会因气候的变化和系统运行条件的变化而变化。模块一般不会在其指定的最高环境温度条件下持续运行相当长时间。如果模块限制的温度控制适当，就能在大多数运行情况下，只对模块在最高环境温度下的容量作限制，使模块的功率最大化（特别是当模块的输入电压偏向下限时）。如果要限制模块的输出容量以满足在最高环境温度下能在正常的功率范围内安全运行，则可在模块内安装适合的温度监控系统，在较低温的条件下可自动提供更大的功率。如果模块的温度与限流性能相关联，那会带来非常显著的益处。这一特征也可和部分恒功率特性组合起来，这样就可以尽可能地发挥它的优势。同时要注意的是，在高温时带温度限流的模块由于输入电压使得功率损耗变化，系统在标称电压左右工作时比在最小输入电压

IGBT模块驱动电路

IGBT模块的使用和安装 1.简介 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。 GBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。 IGBT非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区(包括P+ 和P 一区)(沟道在该区域形成)，称为亚沟道区( Subchannel region )。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区( Drain injector )，它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴(少子)，对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。[2] 2.发展历史 1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构(P-N-P-N四层组成)，其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。 80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属-氧化物-半导体)工艺被采用到IGBT中来。[2]在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT(非穿通)型设计。后来，通过采用PT(穿通)型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的[3]。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。 90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成(LSI)工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通(PT)型芯片结构。[4]在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。硅芯片的重直结

三电平IGBT功率模块

电子知识为了充分发掘系统层面的设计优势，以往主要集中在大功率应用的三电平中点钳位(NPC)拓扑电路近来也开始出现在中、小功率应用中。低电压器件改进后的频谱性能和更低的开关损耗，使得UPS系统或太阳能逆变器等需要滤波器的产品受益匪浅。迄今为止，为了实现三电平电路，只能通过采用分立式器件或至少将三个模块结合在一起。现在，采用针对较高击穿电压的芯片技术，通过将三电平桥臂集成到单独模块中，再配上驱动电路，就能够使得这种拓扑在新的应用中更具吸引力。三电平NPC拓扑的工作原理在三电平NPC的拓扑中，每一个桥臂由四个带反并二极管的IGBT以串联的方式连接，另外再配上两个二极管DH和DL，将它们中间节点连接到直流母线的中性点。其中所采用的所有功率半导体都具备相同的击穿电压。根据输出电压和电流的特点，一个周期的基频输出有四个不同续流工作状态。图1. 三电平NPC中某一个桥臂的换流回路。a) 短换流回路； b) 长换流回路从图1a可以看出，电压和电流处于正方向，T1和DH组成了BUCK电路的工作方式，而T2则以常通的方式输出电流。而电压和电流处于负向期间，T4与DB 组成了BOOST电路的工作方式，T3以常通方式输出电流。在上述两种情况下，换流只有发生在两个器件中，我们称之为短续流。然而当输出电流为负向而电压为正向的情况下，流过T3和DB的电流必须如图1b)所示换相至D2和D1。这种换流涉及到四个器件，因此称之为长换流回路。在其它情况下，会存在另一个长换流路径。在设计三电平变换器时，如何控制好长换流回路的杂散电感和过压问题，是设计人员所要面临的又一挑战。

图2 EasyPACK 2B封装针对三电平NPC拓扑的最新IGBT模块虽然总共集成4个IGBT和6个二极管的IGBT模块并不适用于高功率产品，但是只要功率范围一定，并且控制管脚数允许采用标准封装，它是可以适用于中、小功率产品的。图3 EconoPACK 4 封装对于小功率产品而言，如图3所示的EasyPACK 2B封装具备足够的DBC面积来集成一个完整的150A三电平模块桥臂。由于可在给定的栅格内任意布臵管脚，这些管脚即可以作为功率端子也可作为控制端子，因此这个封装可提供非常理想的连接方式。这种封装可提供辅助发射极端子，可确保IGBT的高速开关。对于电源端子而言，最多可采用8个端子并联，确保获得所需的额定电流以及降低杂散电感和PCB热量。对于中功率的产品，全新推出的EconoPACK 4封装提供了一种理想选择，它可集成三电平中所有功率器件。右边的三个功率端子用来把直流母线分开，为三电平逆变器带来极低的寄生电感，与它相对的两个功率端子并联起来作为每一个桥臂的输出端子。在模块封装的两侧是控制引脚，PCB驱动板可以通过这些端子直接连接。这种封装的三电平模块中的桥臂的最高电流高达300A。就降低杂散电感而言，将一个三电平相桥臂的所有器件集成至一个模块，是一种很有前景的解决方案。然而，很明显仅600V 的器件耐压使它很难满足典型应用，原因在于：母线电压的均压不理想，而且600 V器件开关速度太快。为了使设计更加容易并且确保器件在应用中具有更高的裕量，这些模块采用了增强型IGBT和二极管芯片，耐压达到650V。这些新的芯片与众所周知的600V IGBT3器件一样，具有相同

万用表检测IGBT功率模块

万用表检测IGBT功率模块 IGBT 管的好坏可用指针万用表的Rxlk 挡来检测，或用数字万用表的“二极管”挡来测量PN 结正向压降进行判断。检测前先将IGBT 管三只引脚短路放电，避免影响检测的准确度；然后用指针万用表的两枝表笔正反测G 、e 两极及G 、c 两极的电阻，对于正常的IGBT 管（正常G 、C 两极与G 、c 两极间的正反向电阻均为无穷大；内含阻尼二极管的IGBT 管正常时，e 、C 极间均有4k Ω正向电阻），上述所测值均为无穷大；最后用指针万用表的红笔接 c 极，黑笔接e 极，若所测值在3 ．5k Ω l 左右，则所测管为含阻尼二极管的IGBT 管，若所测值在50k Ω左右，则所测IGBT 管内不含阻尼二极管。对于数字万用表，正常情况下，IGBT 管的C 、C 极间正向压降约为0 ．5V 。综上所述，内含阻尼二极管的IGBT 管检测示意图如图所示，表笔连接除图中所示外，其他连接检测的读数均为无穷大。如果测得IGBT 管三个引脚间电阻均很小，则说明该管已击穿损坏；若测得IGBT 管三个引脚间电阻均为无穷大，说明该管已开路损坏。实际维修中IGBT 管多为击穿损坏。如果觉得以上方法不够形象，可以用指针万用表的10K电阻档，黑笔接模块C1，红笔接E1，一只手的大拇指摸到C1,另随便一手指摸G1，此时万用表显示模块导通；用手指将G1对E1短接，模块关

断。同理，再测C2和E2。若按以上方法万用表显示模块有一组或者两组不能正常导通和关断说明模块已坏。检测绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）好坏的简易方法 1、判断极性首先将万用表拨在R×1KΩ挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（G ）。其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（C）；黑表笔接的为发射极（E）。 2、判断好坏将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT 的集电极（C），红表笔接IGBT 的发射极（E），此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT 被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时

IGBT模块的选择

IGBT模块的选择 1．IGBT模块的功率损耗 IGBT关断截止时，I(t)≈o，损耗的功率可忽略。为了便于分析，将损耗分为导通损耗和开关损耗。另外，开关损耗也可分为两类：具有理想二极管时IGBT的开关损耗和考虑二极管反向恢复时间时IGBT的开关损耗。文章来源：https://www.360docs.net/doc/8216393257.html,/jc/246.html IGBT导通时，如果电流为方波脉冲，那么导通能量就等于电流、电压降和导通时间三者之积。IGBT在任意电流和温度时的最高电压降，根据数据表提供的数据，可按以下两步得到：首先，从IGBT集电极发射极饱和电压与壳温的关系曲线上找出能满足所需电流的集电极发射极饱和电压。然后，为了得到最大压降，在给定结温下从该曲线上得出的电压降必须乘以电气特性表中给出的最大值与典型值之比。如果栅极驱动电压不是15V，最大压降值还需要些修正，修正系数可参考器件公司的IGBT设计手册。如果电流不是方波脉冲，导通损耗只能用积分计算。这样必须建立电流波形和电压降的数学表达式，这些函数关系可参考器件公司的IGBT设计手册。在负载为电感的电路中，开关导通引起续流二极管反向恢复，同时开关器件中产生很大的电流尖峰，从而使IGBT和续流二极管的开关损耗增加。考虑到二极管反向恢复引起的开关损耗，IGBT总的开关损耗可由下式给出：

Po = Pss + Psw 式中：Esw(on)为每一个脉冲对应的IGBT开通能量（在tj= 125℃、峰值电流Icp条件下）；Esw(off)为每个脉冲对应的IGBT关断能量（在tj=125℃、峰值电流Icp条件下）；Psw为变频电源每臂的PWM开关功率；Icp为正弦输出电流的峰值；Uce(sat)为IGBT的饱和电压降(在Tj= 125℃、峰值电流Icp条件下)；Fsw为开关频率；D为PWM信号占空比；θ为输出电压与电流之间的相位角（功率因数为cosθ）。 2．IGBT模块参数的选择 IGBT已广泛应用于20KHz的硬开关变换器及频率更高的软开关变换器中。通常情况下，选择IGBT模块的参数时应考虑以下几个方面的因素。 (1)功率开关器件额定值（额定电压和额定电流）根据功率开关器件生产厂家提供的资料（比如日本三菱公司的应用手册），正确选用IGBT 有两个关键的因素：一是功率开关器件关断时，在任何被要求的过载条件下，集电极峰值电流必须处于开关安全工作区的规定之内（即小于两倍的额定电流）；二是IGBT工作时的内部结点温度必须始终保持在150℃以下，在任何情况下，包括负载过载时，都必须如此。在使用IGBT模块的场合，选择何种电压、电流规格的IGBT模块，需要依据变换器的电路拓扑和负载特性等参数。 1）电压规格。IGBT模块的电压规格与所用于电路的输入电源电压紧密相关，其相互关系见表6-1。

汽车应用中的IGBT功率模块

汽车应用中的IGBT功率模块诸如高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件，要求对IGBTIGBT 功率模块功率模块的机械和电气特性给予特别的关注，以便在整个使用寿命期间能确保其性能得到充分发挥，并保持很高的可靠性。本文对IGBT的功率和热循环、材料选型以及电气特性等问题和故障模式进行了探讨。各种工业应用中通常会使用多达十几种的绝缘栅双极晶体管（IGBT），设计IGBT模块的目的就是为了向某种专门的应用提供最优的性价比和适当的可靠性。图1为现有的IGBT功率模块的主要组成部分。商用电动车（EV）和混合动力电动车（HEVHEV）的出现为IGBT模块创造了一个新的市场。EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系传动系，IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。根据传动系的概念，逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件（振动和冲击）的考验。为向汽车设计人员提供高可靠性的标准工业IGBT模块，IGBT设计人员必须特别小心地选择材料和设计电气特性，以得到相似甚至更好的结果。热循环和热冲击试验在热循环（TC）期间，待测器件（DUT）交替地暴露于被精确设定的最低和最高温度下，使其管壳的温差（ΔTC）达到80K到100K。DUT处于最低和最高温度的存储时间必须足以使其达到热平衡（即2到6分钟）。此项试验的重点是检测焊接处的疲劳特性。通过更严格的试验，还可以研究其它部分（如模块的框架）所存在的弱点。热冲击试验（TST），也被称作二箱试验，是在经过扩展的ΔTC的条件下进行的，例如从-40-C到+150+C，其典型的存储时间为1小时。图1：包括基板在内的IGBT模块构架示意图。功率循环在热循环/热冲击试验过程中，从外部加热DUT，而在功率循环（PC）期间，DUT被流经模块内部的负载电流主动地加热。因此，模块内部的温度梯度和不同材料层的温度都比热循环过程中高得多。模块的冷却是通过主动关断负载电流以及使用外部散热措施来实现的。最典型的是使用水冷散热器，但空气冷却系统也较常用。试验装置能在加热阶段停止水流，待进入冷却阶段后再重新打开水流。通过功率循环，能对绑定线的连接以及焊接处的疲劳特性进行研究。诸如高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件，要求对IGBT功率模块的机械和电气特性给予特别的关注，以便在整个使用寿命期间能确保其性能得到充分发挥，并保持很高的可靠性。本文对IGBT的功率和热循环、材料选型以及电气特性等问题和故障模式进行了探讨。各种工业应用中通常会使用多达十几种的绝缘栅双极晶体管（IGBT），设计IGBT模块的目的就是为了向某种专门的应用提供最优的性价比和适当的可靠性。图1为现有的IGBT功率模块的主要组成部分。商用电动车（EV）和混合动力电动车（HEV）的出现为IGBT模块创造了一个新的市场。EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系，IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。根据传动系的概念，逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件（振动和冲击）的考验。为向汽车设计人员提供高可靠性的标准工业IGBT模块，IGBT设计人员必须特别小心地

关于英飞凌IGBT模块的选型

关于英飞凌IGBT模块的选型英飞凌IGBT模块的型号：电压规格：直流母线/电网电压 IGBT电压规格 300V DC (max. appr. 450V DC) 600 V 600V DC (max. appr. 900V DC) 1200 V 750V DC (max. appr. 1100V DC) 1700 V upt to 1300V DC controlled 2500 V 1500V DC (max. appr. 2100V DC) 3.3 kV (or2x 1700 V in series/3-level) up to 2500V DC controlled 4.5 kV 3000V DC (max. ca. 4500V DC) 6.5 kV (or2 x 3.3 kV in series/3-level) 2.3kV AC (≈3.3kV DC) 同上 4.16kV AC (≈ 5.9kV DC) 6.5 kV in series/3-level 6.6kV AC (≈9.4kV DC) multi-level

Datasheet RBSOA：宇宙射线会导致IGBT/FWD的失效，失效率（FIT）和直流母线电压有关、海拔高度、结温有关。

Example: 1700V IGBT Module FIT vsDC-link Voltage 宇宙射线，FIT随海拔高度而倍增。电流规格：

电路形式：形式越完整，性价比越高，功率密度也越高；并联的优点：功率密度低，基板温度（壳温）波动小模块封装： Thermal Simulation Results

英飞凌各代IGBT模块技术详解

英飞凌各代IGBT模块技术详解 IGBT 是绝缘门极双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor）的英文缩写。它是八十年代末，九十年代初迅速发展起来的新型复合器件。由于它将 MOSFET 和 GTR 的优点集于一身，既有输入阻抗高，速度快，热稳定性好，电压驱动（MOSFET 的优点，克服 GTR 缺点）；又具有通态压降低，可以向高电压、大电流方向发展（GTR 的优点，克服 MOSFET 的缺点）等综合优点，因此 IGBT 发展很快，在开关频率大于 1KHz，功率大于 5KW 的应用场合具有优势。随着以 MOSFET、IGBT 为代表的电压控制型器件的出现，电力电子技术便从低频迅速迈入了高频电力电子阶段，并使电力电子技术发展得更加丰富，同时为高效节能、省材、新能源、自动化及智能化提供了新的机遇。英飞凌／EUPEC IGBT 芯片发展经历了三代，下面将具体介绍。一、IGBT1－平面栅穿通（PT）型 IGBT （1988 1995）西门子第一代 IGBT 芯片也是采用平面栅、PT 型 IGBT 工艺，这是最初的 IGBT 概念原型产品。生产时间是 1990 年－ 1995 年。西门子第一代 IGBT 以后缀为“DN1” 来区分。如 BSM150GB120DN1。图 1.1 PT-IGBT 结构图

PT 型 IGBT 是在厚度约为 300－500μm 的硅衬底上外延生长有源层，在外延层上制作IGBT 元胞。PT-IGBT 具有类 GTR 特性，在向 1200V 以上高压方向发展时，遇到了高阻、厚外延难度大、成本高、可靠性较低的障碍。因此，PT-IGBT 适合生产低压器件，600V 系列 IGBT 有优势。二、IGBT2－第二代平面栅 NPT-IGBT 西门子公司经过了潜心研究，于 1989 年在 IEEE 功率电子专家会议（PESC）上率先提出了 NPT－IGBT 概念。由于随着 IGBT 耐压的提高，如电压VCE≥1200V，要求 IGBT 承受耐压的基区厚度dB>100μm，在硅衬底上外延生长高阻厚外延的做法，不仅成本高，而且外延层的掺杂浓度和外延层的均匀性都难以保证。1995 年，西门子率先不用外延工艺，采用区熔单晶硅批量生产 NPT－IGBT 产品。西门子的 NPT-IGBT 在全电流工作区范围内具有饱和压降正温度系数，具有类 MOSFET 的输出特性。图 1.2 NPT-IGBT 结构图西门子／EUPEC IGBT2 最典型的代表是后缀为“DN2”系列。如 BSM200GB120DN2。“DN2”系列最佳适用频率为 15KHz－20KHz，饱和压降 VCE(sat)=2.5V。“DN2”系列几乎适用于所有的应用领域。西门子在“DN2”系列的基础上通过优化工艺，开发出“DLC”系列。“ DLC ” 系列是低饱和压降，（ VCE(sat)=2.1V ），最佳开关频率范围为 1KHz － 8KHz 。“DLC”系列是适用于变频器等频率较低的应用场合。后来 Infineon／EUPEC 又推出短拖尾电流、高频“KS4”系列。“KS4”系列是在“DN2”的基础上，开关频率得到进一步提高，最佳使用开关频率为 15KHz－30KHz。最适合于逆变焊机，UPS，通信电源，开关电源，感应加热等开关频率比较高（fK≥20KHz）的应用场合。在这些应用领域，将逐步取代“DN2”系列。EUPEC 用“KS4”芯片开发出H—桥（四单元）IGBT 模块，

电动汽车中的IGBT模块

————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：

电动汽车中的IGBT模块摘要：本文主要介绍了电动汽车中IGBT模块的工作原理，参数要求，可靠性标准以及常见的失效。关键词：电动汽车绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 1 引言为了有效达到节能和环保的目的，汽车技术发展正朝车辆节能化、能源多元化、动力电气化、排放洁净化等方向积极推进，发展节能汽车、代用燃料汽车与电动汽车。2009年国家正式公布了《汽车产业调整和振兴规划》，规划新能源汽车发展的短期目标为电动汽车产销形成规模。同时，以电动汽车为首的新能源汽车也成为“十二五”期间的重点扶持对象。在此背景下，新能源汽车，尤其是电动汽车成为国内乃至世界各汽车公司的研发重点，很多公司已向市场推出商业化的电动汽车。电动汽车中需要用到大量的绝缘栅双极晶体管(IGBT)，IGBT是电动汽车中的核心器件之一，是动力系统的重要组成部分。汽车上工作条件的严酷性和复杂性给传统的IGBT模块技术带来了极大的挑战。 2 电动汽车中IGBT的工作原理本文所指的电动车包括混合动力(HEV)和纯电动汽车(EV)。以HEV为例，其主要电气系统如图1所示。IGBT主要应用于以下两个子系统中： 1) 电动控制系统：大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机; 2) 车载空调控制系统：小功率直流/交流(DC/AC)逆变，使用电流较小的IGBT和FRD。电动控制系统的IGBT需要处理的电流大，可靠性要求高，是本文讨论的重点。电动控制系统的原理如图2所示，主要是通过脉冲宽度调制(PWM)的方式控制IGBT开关，将电流从DC转换到AC(电池到电机，驱动电机)或者从AC转化到DC(电机到电池，刹车、下坡时能量回收)。对于HEV和比亚迪双模(DM)车型来说，除驱动电机外，另外还有一个发电机(如图3 所示)，可以由汽车的发动机带动其发电，然后通过IGBT模块AC/DC转换后向电池充电。在DM车型中，该发电机还可以充当驱动电机的作用。