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应用于电动汽车的新型高功率密度IGBT模块

发布时间:2018-03-01 来源:未知 作者:admin 浏览次数:



大功率J1系列(series)功率模块
引言
纯电动汽车和混动汽车市场伴随着全球(全世界)环保意识的提高而增长。功率半导体模块已经成为决定电动汽车性能的重要组成部分。特别是近年来,随着市场的增长,动力系统的多元化要求大功率、高功率密度和大容量的功率模块。
为了响应汽车市场对功率模块的基本要求,如大功率、高可靠性、紧凑(terse)性和高效率,被称为大功率J1系列新型高功率(high power)IGBT模块被开发出来。
大功率J1系列IGBT模块(mo kuai)采用6合1内部电路结构、直接主端子绑定结构(DLB)、直接冷却结构、第7代存储载流子沟道型双极晶体管硅片技术(CSTBTTM)和RFC二极管硅片技术。
这些技术的最优化结合成功地提高了致力于电动汽车应用(application)的大功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)J1系列(series)IGBT模块的性能。大功率J1系列模块的外观和内部电路结构如1和2所示,其尺寸以及相应的额定电流和电压规格如表1所示。


封装技术
相对于电机之前推出的J系列和J1系列汽车级IGBT模块,进一步提高电压电流能力、应用于电动汽车的带有散热铝柱的大功率(High-power)J1系列IGBT模块内部结构如3所示。
此类新6合1模块的几种典型封装特征包括高可靠的直接主端子绑定结构、紧凑型尺寸、轻重量和大功率处理能力。新能源汽车展涵盖了国际新能源汽车展,新能源公交客车,新能源物流车,新能源电池,新能源电机与电控系统,。大功率能力模块(如650V/1000A和1200V/600A)内含的大尺寸的引线和功率端子增大了其封装尺寸,通常大封装比小封装具有更大的自感,而这对于在高di/dt条件下的大功率应用是非常危险的问题。
然而,通过采用优化的内部功率引线和硅片布置可以消除P-端子间的磁通,新开发的大功率J1系列模块成功地实现低自感。4给出新开发的大功率J1系列对比传统设计的电感仿真结果。
与更传统封装的产品(J系列T-PM)相比,新的大功率(High-power)模块的封装尺寸减少了50%(如5所示)。大功率J1系列模块尺寸减少是优化的冷却铝柱结构结合高效(指效能高的)的第7代CSTBTTM/RFC二极管硅片技术的结果。
除了冷却铝柱比冷却铜柱具有较低的导热量力外,选择铝制冷却柱对于EV/HEV应用来说是有一些优点的,其中,最显著的优点是直接暴露于冷却剂下铝的抗腐蚀能力以及与采用J系列6合1 IGBT模块(mo kuai)的又称变流器、反流器方案相比时重量(weight)可减少70%(如6所示)。
铝不像铜那样易受电化学腐蚀,如果铜柱被使用(use),就需要用厚的镀镍层来防止被腐蚀。另外,铝的轻量化有助于减少EV/HEV的电费和燃料消耗(consume)。
另外,大功率(High-power)J1系列在导热路径上消除了两层,一层是散热基板和底板之间的焊接层,另一层是底板和水冷散热器之间的硅脂层。新能源汽车展涵盖了国际新能源汽车展,新能源公交客车,新能源物流车,新能源电池,新能源电机与电控系统,。与传统的J系列T-PM逆变器方案相比,导热能力提高了20%(如7所示)。同时,层数的减少也有助于温度循环能力的改善。
5、6、7所示的方案对比是基于应用于三相EV/HEV马达驱动的相同电压/电流等级的IGBT模块。新能源公交客车作为我国新能源汽车推广应用的排头兵和“先锋队”,加之其担负大众出行的社会属性,近年来,一直成为业内外关注的焦点。

采用最新的硅片技术的试验结果
结合水冷散热器,在如下条件下通过(tōng guò)实验验证了大功率J1系列650V/1000A IGBT模块的功率处理能力:
电池电压=450V,PWM开关频率=5kHz/10kHz,冷却水温度(Tw)=65℃,冷却水流速=10L/mi,热阻IGBT-Rth(j-w)取最大值,IGBT特性参数取典型值。
类似地,大功率(High-power)J1系列1200V/600A IGBT模块(mo kuai)的实验条件如下:
电池电压=600V,PWM开关频率=5kHz/10kHz,冷却水温度(Tw)=65℃;冷却水流速=10L/mi,热阻IGBT-Rth(j-w)取最大值,IGBT特性参数(parameter)取典型值。
在这些应用条件下,650V/1000A模块(mo kuai)在其最高运行结温低于150℃的情况下的最大逆变输出电流可超过600Arms(相应逆变器输出功率可超过120kW)。新能源公交客车您带来最新最全的新能源客车的车型、图片与报价信息,给您展现新能源客车的新闻,报道相关动态。而1200V/600A模块在其最高运行结温低于150℃的情况下的最大逆变输出电流可超过400Arms(相应逆变器输出功率可超过120kW)。
这些实验结果如8和9所示。
如此有吸引力的良好结果是通过采用最新的第7代CSTBTTM和RFC晶体二极管硅片技术而得到的。
IGBT技术的进步一直受到对更高功率密度和更高效率(efficiency)的持续需求的驱动,这反映在通过采用改进内部结构来达到优化众所周知的饱和压降VCE(sat)vs.关断损耗Eoff折衷性能之目的的逐代IGBT硅片性能的进步上。
通过在IGBT硅片结构上增加额外的载流子层,CSTBTTM硅片能通过同时减少饱和压降和关断损耗来达到更高的效率。
第7代IGBT硅片进一步优化CSTBTTM的饱和压降VCE(sat)vs.关断损耗Eoff折衷性能,如10所示,它归纳了新一代IGBT硅片性能的持续改进。新能源汽车核心零部件的垄断,提升我国自主品牌汽车竞争力。考虑到J1系列创新型封装设计导致的超紧凑性(功率模块体积小于0.68升),通过采用第7代IGBT硅片来实现超高功率密度是显而易见的。

结论
已开发的新型高功率密度IGBT模块(mo kuai)“大功率(High-power)J1系列”被用来满足逐步(step by step)发展的电动汽车和混动汽车市场要求。
大功率J1系列IGBT模块做到了性能高、自感低、封装紧凑和重量轻,这些有吸引力的特点是通过结合优化的封装结构技术和最先进的硅(silicon)片技术(第7代CSTBTTM和RFC二极管)来实现的。
总而言之,大功率J1系列IGBT模块能实现寛范围逆变器运行,从而满足不同种类的电动汽车(battery electric vehicle)和混动汽车的应用要求。

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