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用于HEV/EV辅助系统的小功率模块

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时间 : 2018-09-26 19:56 浏览量 : 22

用于HEV/EV辅助系统的小功率模块


针对 HEV/EV辅助系统,英飞凌推出了 easy module系列汽车级 IGBT功率模块,不仅可以有效较低系统功耗,而且能够确保在汽车全寿命范围内IGBT模块安全可靠地工作。

  • HEV/EV对辅助系统的要求

传统内燃机汽车中,电气系统所需的电力通常源自12 V蓄电池,在带动一些大型负载时通常功耗较大。如图 1 所示,这些大型负载如空调压缩机、油泵、冷却泵、电动助力转向系统和加热器等辅助系统。相比而言,混合动力/电动车(HEV/EV)因为集成了高压电池(通常是144 V 或336 V),将上述辅助系统电源从12 V总线接入高压总线,相同功率情况下能有效降低系统功耗。通常这些辅助系统或负载的功率范围在 1~6 kW之间。另外,利用高压驱动这些系统,可降低驱动电流,从而获得巨大的成本优势(通过减小电缆直径和电动机的铜用量)。

几个典型的应用:

1)DC/DC转换器

传统能源汽车ECU低压总线的供电(12 V)来源于汽油发动机带动发电机发电,而在HEV/EV中,因为有高压电池组(144 V或336 V),同时EV中没有发动机,因此通常需要增加一个DC/DC转换器将高压336 V转换到12 V,给ECU系统及辅助负载供电。根据车型对负载的需求不同,DC/DC转换器的功率范围通常为2~3 kW。

2)电动机

HEV内部有不少电动机负载,这些2~3 kW的电动机工作在 12 V电压下,工作电流

通常为50~100 A,需要低压大电流的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),而如果将电动机接在 336 V总线上,采用30 A级别的IGBT就能满足系统要求,可大大降低系统损耗。

3)空调加热器

HEV/EV空调的制热模式不同于传统能源汽车。传统能源汽车利用发动机热源制热,不

需要额外的热源,而HEV/EV通常采用IGBT驱动空调加热器制热,增加了额外的损耗。另外,因为需要较大的电流驱动空调,因此对相关驱动器件的散热和保护也有更高的要求。

图1:常见混合动力汽车的辅助系统


  • 汽车级小功率模块

针对HEV/EV辅助系统,英飞凌推出了easy module系列汽车级IGBT功率模块,包括两种封装:easy 1B(1~3 kW),easy 2B(1~6 kW),如图2所示。

图 2:easy module外形封装,其中左为easy 1B,右为easy 2B

easy module系列汽车级IGBT功率模块的主要优势如下:

- 提供多种拓扑结构,可以灵活满足包括DC/DC转换器、电动机、空调加热器等多

种应用的需求

- Press fit工艺大大降低了产品生产时人工成本和失效率

- HS3 IGBT芯片能支持100 kHz以上开关频率

- 汽车级认证及相应的设计保证了产品的可靠性,确保在汽车全寿命范围内 IGBT模块安全可靠地工作

除此之外,easy module内置NTC温度电阻,将更好地检测系统温度,以便及时作出反馈,紧凑的设计拥有极高的功率密度,优化后的端子布局有助于降低高压母排走线难度,并大大降低系统杂散电感。

  • easy module的技术特点

easy module在技术上具有以下特点:

1)灵活的拓扑结构

在Easy 1B、easy 2B 两种外形封装结构的基础上,easy module通过不同的内部芯

片布局和端子引线,可以灵活组合出不同拓扑结构及不同功率等级,服务于多样化的应用需求,有效降低产品成本,同时又可以保证设计的灵活性(如图3所示)。

(a)IGBT全桥模块(6管IGBT,内置NTC温度电阻)

基于Ecom3 IGBT 技术,可用于三相电动机驱动,例如空调压缩机、油泵、冷却泵和电动助力转向系统。

(b)H桥 IGBT模块(4管IGBT,内置NTC温度电阻)

基于HS3 高频 IGBT的H桥模块,可用于HEV的HV to LV DC/DC转换器及车载充电器,集成4管 IGBT H桥。

(c)空调加热器模块

集成2路高边及3路低边开关,用于空调驱动,内置温度电阻。

图 3 上起依次为6管全桥模块、H桥模块、空调加热器模块

2)Press fit压接技术

Press fit压接技术允许IGBT模块的功率端子及信号端子与印刷电路板(PCB)的电镀孔进行无焊接连接,通过定义合适的PCB孔径(略小于端子宽度),并控制压接的力矩和行程,经过特殊设计的端子在压接过程中发生变形之后固定于PCB的电镀孔内。这种连接能够满足汽车等级的振动等机械性能,能满足高温度条件下(例如 125℃)的汽车电子工作环境温度设计标准。

图4 easy module和PCB通过Press fit连接装配

3)HS3 IGBT 高速 IGBT

通常IGBT的工作频率被限定在10~30 kHz内(英飞凌第三代IGBT芯片),但在DC/DC应用中,高开关频率能带来更高的电源转换效率,但需要电力电子器件能够在100 kHz及以上的开关频率工作,超出了三代IGBT芯片的频率范围。对此,英飞凌推出了HS3 IGBT (高速IGBT),优化了开关特性,使其能满足DC/DC快速开关的应用要求。HS3 IGBT还能够更快地关断电流(如图5),而标准3代IGBT在关断时会有较长的拖尾,因此HS3 IGBT 能在更高的频率下工作。另外,对比系统损耗,HS3 IGBT导通损耗略高(2。0 V 较1。6 V 略高 ),但有更低的开关损耗(0。34 mJ较0。85 mJ略低),考虑到在DC/DC应用中开关损耗较大,因此HS3 IGBT能大大降低系统损耗,提高效率。

图5 HS3 高频IGBT(红色)和标准3代 IGBT(紫色)关断波形比较

4)汽车级可靠性

可靠性是IGBT在汽车应用中的最大挑战,除了电压、电流等常规参数的设计考虑,涉及IGBT可靠性的主要参数还有:温度循环次数(Thermal Cycling)和功率循环次数(Power Cycling),其共同决定了IGBT的使用寿命,其他参数例如IGBT机械可靠性(振动测试)特性也需要额外的关注。针对这些要求,英飞凌汽车级IGBT模块在设计及验证上做了相应的改进,以满足严苛的参数要求。

(a)功率循环

电流、电压的切换将会引起ΔTj(结温变化),在产品全寿命周期内的结温变化幅度、工作时间及使用工况将共同影响IGBT的寿命。具体而言,IGBT导通电流波动时,绑定线也会随之摆动,对绑定线和IGBT芯片连接可靠性有较大的影响,反复的摆动可能导致绑定线寿命的耗尽,例如绑定线和IGBT芯片焊接脱落、绑定线断裂等,均会导致IGBT的损坏(见图6)。

图6 绑定线随电流波动、绑定线失效


对此,英飞凌定义了“秒级功率循环(Power Cycling Second)”,对其产品有相应要求,并通过电流加热、外部水冷冷却的加速老化试验模拟电气冲击,验证绑定线焊接的可靠性。英飞凌汽车级IGBT需要承受这些条件而不损坏:ΔTj=60 K,最大节温150℃,0.5 s < tcycl<5 s,150 kc次功率循环。为了满足产品通过相关汽车级测试,汽车级功率模块相对传统工业模块主要有以下改进:绑定线材料改进、芯片结构加强、绑定线连接回路的优化以及焊接工艺的优化。

(b) 温度循环

在HEV中,电力电子器件通常位于前舱靠近发动机,IGBT模块将承受较高的环境温度和温度变化,对IGBT模块内部焊接层有较大影响,原因在于IGBT模块内部是多层不同材料焊接而成的结构,不同材料具有不同的热膨胀系数(CTE),其差别会影响功率模块的使用寿命。理论上应该选用热膨胀系数差别尽可能小的材料来进行焊接组合,但这样可能会导致材料成本或加工成本上升。英飞凌通过改进后的Al2O3陶瓷基片技术,在较小幅度增加成本的前提下,同样可以达到HEV热循环次数的要求。英飞凌汽车级IGBT能保证在热冲击试验时,-40℃至 +125℃条件下1 000次热冲击后完好无损。

(c) 振动测试标准

在HEV中,对 IGBT振动要求大大超过普通工业的标准,外壳和端子将承受较大的机械冲击,英飞凌汽车级IGBT可以承受超过5 g的机械振动和超过30 g的机械冲击。

(d)可追溯性

英飞凌在汽车级IGBT模块内部DBC上放置了用于追溯的标示,另外在模块外壳也有三维码,可用于产品追溯。(英飞凌igbt厂家)


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