吴海平 电动汽车中的IGBT模块

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1234电动汽车中IGBT的工作原理性能及可靠性要求应用中的失效主要车用IGBT模块

HEV的电气系统示意图

DM电气系统示意图空调压缩机逆变器电池控制箱发动机M1离合M2驱动轮主变速齿轮

IGBT是电动汽车中的核心器件之一电动控制系统：用电控系统的IGBT模块成本约占整车成本10%车载空调控制系统充电系统内有两组三相全桥IGBT模块发动机M1M2驱动轮主变速齿轮两个电机需两组逆变器

电控系统的原理SaSbSc—Sa—Sb—ScIbIcMotorIa电池控制器

电动汽车用IGBT面临的挑战工作环境温度变化幅度大个人驾驶习惯差异大路况繁杂电机峰值功率高输出功率变化频繁可靠性要求高，工作寿命长，失效后影响大定制化要求：体积、重量、形状

IGBT性能要求额定电压VCES：考虑充满电后的电池电压、寄生电感、di/dt等的影响，一般为电池电压的两倍以上额定电流IC：考虑电机的峰值功率工作频率：VCEsat需为正温度系数，尽量低，关断软度好安全工作区：短路耐量高、RBSOA大，最好具有一定的雪崩耐量Tjmax≥150℃模块热阻低，热容大EMI

IGBT可靠性要求测试项目温度循环(TC)热冲击测试(TS)机械振动(MV)机械冲击(MS)高温存储(HTS)低温存储(LTS)高温反向偏(HTRB)高温栅极偏压(HTGB)3高温高湿存储(HTRB)测试条件及要求-40℃～125℃，≥1000cycles-40℃～125℃，≥100cycles≥10g，2hrsperaxis(x,y,z)≥100g，3次,每个方向（x,y,z）Ta=150℃，≥1000hrsTa=-40℃，≥1000hrs≥1000hrs，80%VCES，VGE=0，Tj=150℃≥1000hrs，Tj=150℃≥1000hrs，Ta=85℃，RH=85%,80%VCES，最大不超过100V≥96hr，15psig，RH=100%，Ta=121℃△Tj=100K，≥30000cycles压力锅试验(AC)功率循环(PC)

IGBT在电动汽车应用中的失效IGBT芯片失效：过热过压过流动态失效模块的老化失效：电极端子、外壳焊接层芯片键合线其他失效：腐蚀等

IGBT常见失效过热失效：环境温度高温度保护点设置不适合，温度保护不及时电流过大，器件损耗过高热容低热阻高

IGBT常见失效过压失效：器件耐压余量不够寄生电感大吸收电路过流保护时关断不合理过流失效：启动、急加速、急减速、半坡起步、电机堵转/卡死

IGBT常见失效芯片硅胶焊料陶瓷底板键合线铜模块中简单失效的部位

IGBT常见失效—电极脱落电极结构设计不合理电极焊接工艺装配衡量方法：机械振动/冲击电极脱落

IGBT常见失效—焊接分层材料热膨胀系数和韧性焊料成分焊料厚度焊接面积衡量方法：温度循环/冲击2520151050SiAl2O3(96%)AlNSi3N4CuCu-MoAlSiCAl温度循环次数(ΔTc=165C)075150225

IGBT常见失效—键合线失效键合线有大电流通过时，键合线会发生振动键合线和Si热膨胀系数不一致，在Tj变化的过程中发生原子重构导致键合线断裂衡量方法：功率循环影响因素键合工艺键合线成分芯片表面金属化工艺及成分

HEVIGBT模块两组三相全桥IGBT额定电压：850VIGBT芯片集成温度、电流传感器

双面散热IGBT模块采用可焊正面金属工艺，单管封装将单管IGBT双面散热器散热

直接水冷IGBT模块三相全桥IGBT650V,200A/400A/800A插针状底板，可直接水冷，热阻降低50%以上

无焊接IGBT模块三相全桥，600V,600/900A;1200V,300A/450A芯片与DBC之间采用烧结工艺信号端子为弹簧电极主电极和DBC上的连接方式为压接DBC与底板连接方式为压接，无TC失效问题

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