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英飛凌適用于輕度混合動力汽車的IGBT芯片技術

2013年12月30日 04:12 來源:英飛凌科技股份公司 作者:Carlos Castro+Andreas Kopetz+Laurent Beaurenaut
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1 引言

油價的高企、儲量的匱乏和二氧化碳減排需求,所有這些都促使各國政府針對燃油效率出臺新法規。在北美,汽車OEM廠商到2016年必須達到35 mpg的燃油效率標準;在歐盟,到2020年,汽車的碳排放將被限制為95 g/Km。對此,汽車廠商的應對之道,在于推出混合動力汽車和電動汽車[1]。

通過對當前市場數據的分析,我們可以清楚地看到這種節能技術發展軌跡:節油率由低到高排名,在改進傳統內燃機的燃油效率舉措之后,就是輕度混合動力汽車,然后是全混動力汽車,最后是電動汽車。

與全混合動力系統不同,輕度混合動力系統不能只依靠電力驅動車輛(純電力驅動工況)。電動機可用于啟動內燃機(啟停功能優化發動機的怠速),并在車輛加速時提供助力,或在制動時實現能量回收。這種系統是一種很經濟的提升燃油效率的方式。相對于傳統內燃機,某些系統可使燃油效率提高15%至20%,而成本卻只增加了幾百美元。

由于輕度混合動力汽車的電動機功率有限(不足20KW),因此所需的電池電壓比全混動力汽車或純電動汽車的電池電壓低,目的是降低各種組件的成本(電池、開關、電容器……)。如今,輕度混合動力汽車的設計電池電壓高達200V,而全混合動力汽車或純電動汽車的電池電壓則高達450V(在安裝升壓器的條件下甚至會更高)。所有這些車輛都采用相同的主逆變器開關技術:絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

由于其出色的特性,IGBT已被公認為具備最優性價比的半導體開關。要想達到最優性能(最低損耗),需要優化逆變器高壓系統的母排(降低系統的整體雜散電感),并縮小電池電壓與IGBT耐壓的差距。不幸的是,迄今,沒有一種IGBT技術的耐壓電壓低于600V。這意味著,當混合動力車的電池電壓為100V至200V (輕度混合)時,相對600V就會存在巨大的差距,有過多的設計裕量。同時逆變器因為損耗較高會降低系統效率,從而導致燃油效率變低。

2 采用40微米晶圓的400V IGBT

溝槽和場截止技術最大限度降低了IGBT的穩態損耗和開關損耗。一個溝槽單元[2]與一個場截止垂直概念有機結合在一起。

由于有更多的載流子聚集在發射極(陰極)周圍,因此,溝槽單元可降低通態損耗。場截止概念是由NPT概念演變而來,在晶圓的背面植入了一個氮摻雜層(圖1)。將這種場截止區與電阻率提高的基底晶圓結合在一起,可使器件的厚度降低近三分之一,同時保持相同的阻斷電壓。晶圓厚度的降低使得通態損耗和關斷損耗進一步降低。場截止層是低摻雜層,因此不會影響也是植入晶圓背面的低劑量p發射極。

圖1:溝槽與場截止IGBT單元

場截止概念意味著采用超薄晶圓技術,因此會在制造方面面臨挑戰。另一方面,IGBT的功耗大致與晶圓厚度的二次方成正比,因此晶圓厚度的降低意味著系統性能的提升。鑒于這些原因,650V家族選用了70微米左右的超薄晶圓,其厚度相對于其他一流器件降低了近30%。電壓降低至400V,意味著需要選用40微米左右的超薄晶圓,因此會面臨巨大的技術挑戰,諸如退火、金屬化、鈍化、光刻和蝕刻等。

復雜的晶圓處理至關重要,包括用于超薄晶圓的十分特殊的設備和利用優化的背面金屬化實現控制的晶圓翹曲。晶圓自身的減薄處理是一個包括晶圓研磨和濕法化學刻蝕在內的整合工藝[3]。

3 電氣性能

首個采用這種全新40微米IGBT技術開發的產品選用了HybridPACK1封裝(圖4)。

圖2:HybridPACK1封裝

HybridPACKTM 1是公認的成熟功率模塊封裝,用于650V電壓范圍和其他平臺。它設計用于功率在30 kW范圍內的輕度混動力汽車應用和全混合動力汽車應用。設計工作結溫為150°C,該模塊采用6單元配置,適用于空冷或液體冷卻逆變器系統。這種扁平的銅基板與高性能陶瓷基底和英飛凌增強的綁定線工藝有機結合在一起,可為輕度混合動力汽車逆變器應用提供無與倫比的熱循環和功率循環可靠性。

與先進的650V IGBT/二極管芯片組的直接比對結果顯示,400V IGBT/二極管在更低的直流線路電壓下,不但可大幅降低導通損耗,還可大幅降低開關損耗。400V芯片與650V芯片損耗的比對,是在芯片尺寸(die size )幾乎相同的情況下,利用650V IGBT3/Emcon4芯片組代替400V IGBT3/Emcon4芯片組(400V/216A和650V/200A)進行的。這兩個芯片組的測量是在相同條件下(試驗臺設置、PCB和額定電流)完成的。

400V IGBT/二極管芯片組的總導通損耗相對于650V IGBT/二極管芯片組大約降低15%,如下表所示。

 

Vce_sat [V],在25°C

Vf [V],在25°C

Vce_sat [V],在150°C

Vf [V],在150°C

導通損耗650V [mJ]

1.45

1.55

1.70

1.45

導通損耗400V [mJ]

1.30

1.35

1,45

1,20

導通損耗降幅 [%]

10.3

12.9

14.7

17.2

1 215A IGBT 430A二極管在25°C150°C下的導通損耗之比(Vce=120VIc = 215A / 200A)。

400V IGBT/二極管芯片組的總開關損耗相對于FS215R04A1E3D模塊的650V IGBT/二極管芯片組大約降低12%。

 

Eoff

Eon

Erec

Esum

開關損耗650V [mJ]

3.95,在Rg = 1.8 ?

1.0,在Rg = 1.8 ?

3.0,在Rg = 1.8 ?

7.95

開關損耗400V [mJ]

3.75,在Rg = 1.8 ?

0.75,在Rg = 1.8 ?

2.5,在Rg = 1.8 ?

7

開關損耗降幅[%]

5%

25%

17%

12%

2:柵極電阻相同時的開關損耗比對(Tj = 150°CVce = 120VIC = 215 / 200A

4 結論

用于輕度混合動力汽車的具備更低工作電壓(高達200V)的新型IGBT技術現已問世。采用厚度僅為40微米的超薄晶圓,不僅可大幅降低導通損耗,還可顯著降低開關損耗。克服各種技術挑戰之后成功推出這些器件,將會對混合動力汽車燃耗的進一步改進產生直接影響。

編輯:susan