电动汽车中的IGBT模块_第1页
电动汽车中的IGBT模块_第2页
电动汽车中的IGBT模块_第3页
电动汽车中的IGBT模块_第4页
电动汽车中的IGBT模块_第5页
已阅读5页,还剩2页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

1、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

2、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

3、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。图1 HEV的电气系统图图2 电控系统原理图图3 DM动力系统布局3 电动汽车中IGBT模块的参数及可靠性要求电动车中的电池电压较高,一般在200V以上,电机功率也较大,要求IGBT的额定电压在600V120

4、0V,额定电流300A以上。以比亚迪F3DM为例,电池正常工作电压为330V,刚充满电后,电池电压会达到400V,IGBT工作过程中电压过冲会达到800V以上。驱动电机功率为50KW,正常行驶时,IGBT输出电流在200A内。输出电流最大的工况是急加速,电流峰-峰值在1500A以上(如图4所示)。综合考虑以上条件,在F3DM上最终采用了1200V/600A 额定电压电流的IGBT模块(如图5所示)。图4 电动车急加速工况下的电流波形除前面提到的电流电压规格要求外,电动汽车用IGBT还需满足以下要求:1) 由于采用多个IGBT芯片并联,需要IGBT的VCEsat具有正温度系数;2) 在电机驱动电

5、路里,IGBT的开关频率不是太高,一般在20KHz以内。另外由于工作电流较大,系统复杂,需要选择饱和电压(VCEsat)低,关断特性较“软”的IGBT;3) 在实际工作中,IGBT存在负载短路的风险,因此要求IGBT有较好的短路耐量;4) 考虑到汽车车仓里温度较高,IGBT的最高可工作结温Tj不能低于150;5) RBSOA要大,具有一定的雪崩耐量;6) 耐大电流冲击能力强,散热好;7) 需要极低的EMI,避免干扰驱动控制电路和其他外电路。电动汽车用功率器件可靠性标准可以参考AEC-Q101,在温度循环、功率循环、热冲击、机械振动及冲击、高低温存储、高低温加电偏置等方面均有严格要求。表1是一些

6、企业提出要达到的要求:以上部分要求给电动车用功率器件带来了较高的挑战,传统的工业级IGBT模块设计及制造工艺技术,难以胜任汽车级的要求。4 电动汽车中IGBT模块的失效分析IGBT功率模块在电动汽车应用时失效的原因通常有以下几个:1) 过热烧毁IGBT模块工作的环境温度高,以HEV和DM车型为例,动力驱动部分,包括IGBT、电机、引擎等都在汽车前车仓内。引擎在工作时,发热量巨大,如果是夏天,前车仓内的温度包括给IGBT模块降温的冷却水温度可能达到70以上。因此,在一些大电流工作情况下,如果散热不好,过温保护不及时,IGBT模块有可能因过热烧毁;2) 过流烧毁电动车在行驶过程中,由于驱动受干扰异

7、常,或则电机堵转、卡死等异常造成驱动电机的IGBT瞬时电流非常大,如果IGBT抗闩锁能力或者短路耐量不高或者过流保护不及时,可能发生烧毁;3) 机械振动损坏IGBT功率模块在汽车应用和其他工业应用的一个很大不同在于,汽车行驶的路况复杂,速度多变,因此,IGBT模块可能要承受数十g的加速度振动和冲击。这种振动对于模块结构和各引线端子的坚固性是一个很大的考验。传统IGBT模块的电极基本都是焊接到DBC上后引出。电极在安装过程中需承受一定的应力,在汽车运行过程中也会一直承受机械冲击和震动,因此,焊接在DBC上的电极很难满足此应用的要求。4) 高、低温循环损坏IGBT功率模块是一个多层结构(如图6所示

8、),层与层之间基本靠焊接实现,不同层的材料不同,很难做到热膨胀系数的完美匹配;汽车的应用环境温度,模块工作和停止温度都可能相差巨大,这就带来了严重的热冲击和高、低温循环的失效问题。由于材料的热膨胀系数不匹配,原本焊接良好的焊接层,在经过一定次数的冷热循环后会发生严重分层,导致散热及通流能力下降,器件烧毁。表2给出了普通的工业级IGBT模块在温度循环后的焊接分层情况。图6 IGBT模块内部结构示意图图7 IGBT模块中常用材料的热膨胀系数1) 功率循环引起键合线失效汽车在运行过程中,频繁的启动和加速会带来对芯片表面邦线的巨大冲击,脆弱的邦线点会较快失效。功率循环带来的失效还来源于芯片上Al线和Al金属层和Si热膨胀系数不一致,在功率循环过程中发生Al原子重构导致Al线断裂,如图8所示。图8功率循环导致键合线失效IGBT功率循环的寿命可以通过式(1)来模拟:上式中,Nf是可承受的功率循环次数,kB是波尔兹曼常数,Ea是激活能,A和是常数,Tm是功率循环时的中间温度。5、结束语电动汽车中I

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论