英飛凌第二代HybridPACK? Drive 擴(kuò)展結(jié)溫至200℃，以提升電動(dòng)車(chē)加速性能

新能源車(chē)在長(zhǎng)續(xù)航里程、低系統(tǒng)成本和緊湊輕量化方面提出了越來(lái)越高要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)和權(quán)衡性能指標(biāo)是各子部件或系統(tǒng)要考慮的主要方向。隨著多合一這種高度集成化需求，像這種8合1，7合1會(huì)增強(qiáng)行業(yè)技術(shù)壁壘，市場(chǎng)占有率逐步提升，電驅(qū)高功率密度成為一個(gè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用挑戰(zhàn)，功率器件Si IGBT 或SiC MOSFET能實(shí)現(xiàn)電壓、電流、頻率轉(zhuǎn)換，是新能源車(chē)從電池到電機(jī)電能傳輸和電路執(zhí)行的核心。功率器件不僅會(huì)影響系統(tǒng)成本，而且會(huì)影響產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性和使用壽命，尤其像新能源車(chē)短時(shí)加速，瞬時(shí)輸出大電流大扭矩需求，結(jié)溫Tvj.op成為器件安全運(yùn)行的工作邊界和限制條件。

目前英飛凌提供的最新HybridPACK^TM Drive Gen2 SiC MOSFET都允許達(dá)到200℃，也是業(yè)界第一個(gè)標(biāo)注在規(guī)格書(shū)中的最高結(jié)溫，如何使用和理解該技術(shù)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電驅(qū)的性能優(yōu)勢(shì)，也是本文想去闡述和表達(dá)的一個(gè)思路。

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結(jié)溫Tvj定義

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按照AQG324并結(jié)合IEC60747-9/15標(biāo)準(zhǔn)，器件結(jié)溫是不能真實(shí)直接被測(cè)量的，可以間接通過(guò)測(cè)量IGBT的Vcesat或二極管的VF， 或 MOSFET的內(nèi)部體二極管VFsd 來(lái)標(biāo)定測(cè)量，因此都標(biāo)稱(chēng)為虛擬結(jié)溫Tvj，并不特定指向模塊內(nèi)芯片的某個(gè)物理位置。簡(jiǎn)單講，結(jié)溫描述功率半導(dǎo)體內(nèi)芯片溫度的空間分布，由于工作條件不同，不同部位的溫度梯度各不相同，如圖1示意為芯片表面的熱仿真結(jié)果。在產(chǎn)品規(guī)格書(shū)中有Tvj.max 為最大允許運(yùn)行結(jié)溫，是定義器件自身直流電流時(shí)候的最大結(jié)溫，與實(shí)際運(yùn)行條件和散熱設(shè)計(jì)沒(méi)有關(guān)系。Tvj.op為器件在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的長(zhǎng)期持續(xù)最大工作結(jié)溫，用于實(shí)際散熱設(shè)計(jì)和壽命分析。

在HybridPACK^TM Drive結(jié)溫定義中，還定義了短時(shí)擴(kuò)展允許結(jié)溫，這是考慮正常運(yùn)行工況條件下沒(méi)有考慮偶爾頻發(fā)事件的需求而延展，像電機(jī)在高溫條件下堵轉(zhuǎn)，或短時(shí)加速大電流，或低溫條件下大負(fù)載電流。模塊設(shè)計(jì)和可靠性認(rèn)證都要去滿(mǎn)足長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)溫Tvj.op，同時(shí)允許在某些惡劣工況下超過(guò)長(zhǎng)期工作條件一定時(shí)間，這些都在規(guī)格書(shū)中有承諾和定義。另外，由于IGBT或MOSFET模塊中的每個(gè)開(kāi)關(guān)都是由有多個(gè)芯片并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，如圖2為示意多個(gè)SiC芯片并聯(lián)，內(nèi)部均流效果會(huì)影響芯片之間溫度分布，模塊內(nèi)同一開(kāi)關(guān)并聯(lián)芯片內(nèi)部之間或上下橋臂開(kāi)關(guān)之間的溫度都會(huì)有所不同，會(huì)影響模塊整個(gè)輸出電流能力和產(chǎn)品長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性。因此，在實(shí)際結(jié)溫評(píng)估應(yīng)用中，需要采用特殊的涂黑模塊用熱成像儀來(lái)讀取結(jié)溫去標(biāo)定輸出電流能力，此時(shí)內(nèi)部芯片平均等效結(jié)溫Tvj.op來(lái)評(píng)估更接近真實(shí)情況。

圖1 芯片表面溫度分布  

圖2  SiC芯片并聯(lián)

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擴(kuò)展結(jié)溫Tvj.op=200℃

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相比HybridPACK? Drive  Gen1第一代產(chǎn)品，HPD  Gen2產(chǎn)品定義了持續(xù)運(yùn)行最大結(jié)溫為175℃，擴(kuò)展運(yùn)行結(jié)溫到200℃, 累計(jì)持續(xù)時(shí)間為100h，如下表1為SiC模塊FS03R12A8MA2BA規(guī)格書(shū)中的說(shuō)明，這是英飛凌第二代HPD封裝不同與友商的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)之一。

表1 規(guī)格書(shū)上定義的結(jié)溫

器件結(jié)溫提升還需要封裝材料的優(yōu)化來(lái)配合，傳統(tǒng)都采用聚合物，第二代都采用了高溫?zé)崮托院玫木郾搅蛎裀PS材料，變形溫度一般大于260℃，除了成本比較高外，其他材料性能像抗拉強(qiáng)度等方面都是器件封裝比較好的選擇。器件芯片頂部和背部工藝不論焊接還是燒結(jié)工藝都要滿(mǎn)足高結(jié)溫需求，更為重要是AQG324可靠性測(cè)試是滿(mǎn)足擴(kuò)展200℃結(jié)溫所必須保證的標(biāo)準(zhǔn)，如下表2是所示測(cè)試條件和標(biāo)準(zhǔn)，其是在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)1000小時(shí)完成后繼續(xù)增加100小時(shí)來(lái)評(píng)估該結(jié)溫是否安全和可靠，這確保擴(kuò)展結(jié)溫范圍內(nèi)器件在阻斷電壓能力和門(mén)級(jí)可靠性上安全運(yùn)行和高頻開(kāi)關(guān)。

表2 測(cè)試條件和標(biāo)準(zhǔn)

累積擴(kuò)展結(jié)溫100h是否能滿(mǎn)足應(yīng)用需求呢？假定汽車(chē)在整個(gè)壽命期間的平均使用時(shí)間是8000h, 按照超過(guò)175℃達(dá)到200℃最大允許時(shí)間100h，估算允許的秒級(jí)時(shí)間為100x60x60=360000s，一個(gè)加速時(shí)間沖擊到峰值溫度200℃假定為持續(xù)時(shí)間15s，允許次數(shù)為24000次，那意味整個(gè)車(chē)使用壽命期間每小時(shí)可以加速3次，如果加速時(shí)間為10s，其達(dá)到每小時(shí)4.5次。因此，從實(shí)際需求角度講，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足頻繁加速應(yīng)用需要。

擴(kuò)展結(jié)溫Tvj.op=200℃能否帶來(lái)應(yīng)用收益呢？用實(shí)際的應(yīng)用案例來(lái)仿真評(píng)估輸出電流能力更有說(shuō)服力，以FS03R12A8MA2BA為目標(biāo)，第二代HPD Gen2封裝采用6個(gè)SiC芯片并聯(lián)，仿真條件: Vds=650V/700V/750V/800V, Rgon=16.9ohm/Rgoff=4.1ohm, PF=0.85, M=0.9,  fs=10kHz, Tinlet=65℃, flow rate= 12L/min，如下圖3為不同結(jié)溫條件下的輸出電流對(duì)比。

圖3  不同結(jié)溫時(shí)輸出電流對(duì)比

從最大輸出電流上看基本可以增加20A左右電流輸出能力，如果優(yōu)化門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電阻用更小阻值，其由于結(jié)溫提升帶來(lái)的電流能力會(huì)更大些。因此，在某些工況下電流短時(shí)增加能夠滿(mǎn)足加速條件，提升主驅(qū)輸出電流性能，同時(shí)也可以滿(mǎn)足客戶(hù)安全結(jié)溫的降額需求。

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結(jié)溫Tvj.op測(cè)量

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電驅(qū)應(yīng)用中經(jīng)常需要涂黑模塊來(lái)標(biāo)定實(shí)際器件輸出電流能力，如何在實(shí)際測(cè)量中有效準(zhǔn)確地評(píng)估擴(kuò)展虛擬結(jié)溫200℃？通常結(jié)溫可以采用直接測(cè)量方法，用紅外熱成像儀通過(guò)讀取芯片表面溫度，為了防止各個(gè)區(qū)域輻射率不同而導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果，需要把被測(cè)區(qū)域涂成統(tǒng)一顏色，確保表面某物體和絕對(duì)黑體發(fā)射的紅外輻射能力，紅外成像儀必須根據(jù)被測(cè)對(duì)象設(shè)置輻射率，通常建議0.99。由于綁定線存在與芯片表面，其載流發(fā)熱也會(huì)影響結(jié)溫的測(cè)量和評(píng)估，有時(shí)讀出的最高結(jié)溫為綁定線溫度，此時(shí)不能準(zhǔn)確讀取等效平均結(jié)溫，如圖4為芯片、綁定線溫度分布及其平均等效溫度，最高溫度點(diǎn)為104℃，芯片表面最高為100℃，平均等效結(jié)溫為94℃。

圖4 單個(gè)芯片上讀紅外溫度的分布

因此，需要移動(dòng)芯片正上方的綁定線如下圖5中的Ta，Tb，Tc位置，此時(shí)不超過(guò)允許Tvj≈TvjIR=1/3（Ta+Tb+Tc）。通常IGBT芯片面積比SiC MOSFET大，且物理上需要獨(dú)立續(xù)流二極管FWD配合構(gòu)成一個(gè)開(kāi)關(guān)，有更多綁定線和鍵合點(diǎn)存在，容易測(cè)量結(jié)溫時(shí)候去移動(dòng)綁定線位置，用熱成像儀讀各個(gè)芯片表面溫度，用平均等效結(jié)溫來(lái)判斷，二者結(jié)溫可以分開(kāi)進(jìn)行評(píng)估和分析。但對(duì)MOSFET而言通常要采用同步整流模式來(lái)完成續(xù)流，單獨(dú)一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)功能，有些情況無(wú)法移動(dòng)綁定線時(shí)，建議采用橢圓區(qū)域來(lái)標(biāo)定芯片位置讀取溫度，如圖6所示為8個(gè)SiC MOSFET芯片測(cè)量溫度所標(biāo)定的橢圓區(qū)域，其需要并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)完整開(kāi)關(guān)，因此，一方面所畫(huà)橢圓區(qū)域要基本是整個(gè)芯片表面積80%左右，覆蓋了芯片絕大部分發(fā)熱區(qū)域，盡可能包含流過(guò)負(fù)載電流鍵合點(diǎn)的位置，另一個(gè)方面多個(gè)芯片并聯(lián)可以平均每個(gè)橢圓區(qū)域點(diǎn)的誤差來(lái)讀取平均結(jié)溫，更能真實(shí)反映芯片的結(jié)溫，同時(shí)減少由于綁定線上最高溫度引起的誤差和判斷，避免用某個(gè)芯片或綁定線上的最大溫度點(diǎn)來(lái)進(jìn)行輸出電流標(biāo)定，進(jìn)而影響功率器件的整體輸出電流能力和性能的判斷。

圖5 芯片表面區(qū)域

圖6 芯片上方橢圓區(qū)域

因此，擴(kuò)展 200℃結(jié)溫所帶來(lái)的輸出能力提升優(yōu)勢(shì)可以用上述兩種直接測(cè)量方法來(lái)評(píng)估，進(jìn)而有效準(zhǔn)確地評(píng)估產(chǎn)品的性能，確保該擴(kuò)展虛擬結(jié)溫能夠帶來(lái)系統(tǒng)應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。