功率模塊的發(fā)展可以滿足汽車工業(yè)的需求(圖)
John Mookken，美國新罕布什爾州，賽米控（美國）公司項(xiàng)目經(jīng)理
2006/6/23 15:27:29
塞米控電子（珠海）有限公司 供稿
汽車工業(yè)需要新一代的功率模塊以滿足他們的要求。功率模塊生產(chǎn)商已經(jīng)做好準(zhǔn)備面對(duì)這一挑戰(zhàn)了嗎？
汽車上的電力電子設(shè)備
任何懷疑內(nèi)燃機(jī)將從汽車上消失這一不可避免結(jié)局的人士都應(yīng)要細(xì)思考慮一下內(nèi)燃機(jī)低下的效率。在內(nèi)燃機(jī)一個(gè)完整的工作周期中所產(chǎn)生的全部能量只有約25%被用于去驅(qū)動(dòng)汽車或其它附屬設(shè)備。大部分能量（約70%）作為熱能被白白浪費(fèi)了。與此形成對(duì)比的是，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)㈦姵刂写鎯?chǔ)的能量以75％-90%的效率轉(zhuǎn)化為有用功。這就是為什么有一些專家預(yù)言“內(nèi)燃機(jī)到了終結(jié)的時(shí)代”的原因之一。當(dāng)然還有其它的一些原因，如汽車排放的尾氣造成的污染和不可再生能源等等。
直到十多年前，汽車上的大多數(shù)電氣負(fù)載都是由如排風(fēng)扇、娛樂系統(tǒng)、燈光等汽車輔件構(gòu)成。近年來電氣負(fù)載已經(jīng)包括如防鎖制動(dòng)、多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、多功能顯示系統(tǒng)、HID燈光系統(tǒng)以及電子打火等負(fù)載。但是，為了代替機(jī)械連接（例如動(dòng)力方向盤）或提高低速時(shí)內(nèi)燃機(jī)的效率，在汽車設(shè)計(jì)中已經(jīng)引入了重要的電氣馬達(dá)，這對(duì)于新一代汽車來說它的電能需求將出現(xiàn)量的飛躍。目前全球市場(chǎng)對(duì)混合電動(dòng)汽車的需求有一個(gè)強(qiáng)勁的增長，因?yàn)檫@種汽車能夠?qū)㈦姍C(jī)的輸出和內(nèi)燃機(jī)的輸出結(jié)合起來以提高燃料的使用效率。如果我們用超前的眼光來看待混合電動(dòng)汽車以及將來完全依靠電能運(yùn)行的氫燃料電池汽車，很明顯汽車對(duì)電源的需求將會(huì)持續(xù)增長。
不出所料，功率電子器件在汽車上得到大規(guī)模的應(yīng)用，從而為功率模塊生產(chǎn)商提供了一個(gè)大量制造模塊的機(jī)會(huì)，使模塊將在一個(gè)簡單的封裝里集成很多元器件以及功能，并使模塊能夠很容易地被集成到大多數(shù)的汽車子系統(tǒng)中去。當(dāng)然，對(duì)汽車生產(chǎn)商和功率模塊生產(chǎn)商來說，這既是機(jī)會(huì)也是挑戰(zhàn)。汽車生產(chǎn)商需要培養(yǎng)他們的電力電子知識(shí)并和功率模塊生產(chǎn)商協(xié)同工作，而功率模塊生產(chǎn)商需要理解汽車對(duì)電力電子設(shè)備的應(yīng)用需求，并開發(fā)新的生產(chǎn)工藝以滿足汽車市場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備在體積、質(zhì)量和成本方面的需求。
汽車市場(chǎng)的挑戰(zhàn)
汽車對(duì)功率模塊的需求可大致劃分為兩大類——技術(shù)需求和經(jīng)濟(jì)性需求。技術(shù)性指標(biāo)指功率模塊滿足汽車在電氣性能、環(huán)境限制、體積以及重量方面的要求。而混合電動(dòng)汽車對(duì)功率模塊最重要以及最賦挑戰(zhàn)性的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)就是在不降低模塊性能或縮減模塊壽命的情況下讓其在冷卻進(jìn)風(fēng)口溫度為105ºC的情況下正常運(yùn)行。因此，如果能擴(kuò)大模塊運(yùn)行的溫度范圍(-40ºC至125ºC)，就會(huì)減輕設(shè)計(jì)者為模塊提供單獨(dú)制冷回路的負(fù)擔(dān)。
經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括生產(chǎn)商在不降低質(zhì)量、可靠性以及性能的情況下以較低的成本進(jìn)行大批量生產(chǎn)功率模塊的能力。如今在電氣元件故障是造成汽車問題的主要原因的情況下，功率電路則是混合動(dòng)力汽車的最關(guān)鍵部件，所以很容易理解功率模塊的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)比技術(shù)性指標(biāo)更種要的原因。
傳統(tǒng)而言，大多數(shù)功率模塊生產(chǎn)商一直是驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)商的元器件供應(yīng)商，功率模塊的市場(chǎng)主要集中在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源上。因此如今的很多驅(qū)動(dòng)器能夠滿足汽車市場(chǎng)對(duì)功率模塊電氣性能的要求，但是不能滿足汽車嚴(yán)酷的運(yùn)行環(huán)境的要求。而能夠滿足汽車環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器通常都是軍品或航空級(jí)產(chǎn)品，但不能滿足汽車對(duì)功率模塊的成本要求。因此汽車市場(chǎng)迫切需求新一代的功率模塊，希望它們能夠在性能、功率體積比、堅(jiān)固耐用、質(zhì)量、可生產(chǎn)性以及價(jià)格之間找到適當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)。
迎接挑戰(zhàn)
第一個(gè)在技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)之間找到合適的平衡點(diǎn)的產(chǎn)品來自于賽米控的第一代“汽車功率模塊”。SKAI(賽米控先進(jìn)的集成技術(shù))模塊在單一的封裝里集成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)所必須的所有硬件，從它上面我們可以看出功率模塊未來的大致雛形。
SKAI模塊集成了基于IGBT的功率單元、液冷或風(fēng)冷散熱器、門極驅(qū)動(dòng)電路、DSP控制器、多個(gè)傳感器以及各種保護(hù)電路，它為汽車市場(chǎng)提供了一個(gè)現(xiàn)成的解決方案。SKAI全系列產(chǎn)品都是在滿足QS9000標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)線上制造的，而且其設(shè)計(jì)時(shí)的工作溫度范圍就是從-40ºC 到85ºC的。進(jìn)口的溫度上限是70ºC，如果溫度更高，則需要降額使用。
SKAI功率模塊的核心部分是六個(gè)IGBT構(gòu)成的功率單元，它由三個(gè)半橋焊接到氮化鋁陶瓷基板（DBC）上組成。每個(gè)DBC上面有十二個(gè)600V NPT或1200V 溝槽IGBT、六個(gè)匹配的二極管、門極電阻以及一個(gè)正溫度系數(shù)的熱敏電阻構(gòu)成。從每個(gè)DBC的交流和直流母排結(jié)構(gòu)之間可以看出它有很高的集成度�？偩�結(jié)構(gòu)（交流和直流母排）和DBC使用賽米控的SKiiP®技術(shù)在超過2,100 lbs/Inch2的壓強(qiáng)下壓接起來的，這是一項(xiàng)獨(dú)特的受專利保護(hù)的壓接技術(shù)。壓接系統(tǒng)消除了在DBC和模塊基板之間常見的大面積的焊接界面，這便提高了連接的可靠性。因此SKAI模塊就循環(huán)負(fù)載測(cè)試性能而言比使用基板的傳統(tǒng)功率模塊的性能要優(yōu)越十倍。氮化鋁基板的使用也提高了系統(tǒng)的可靠性。研究表明使用氮化鋁模塊的壽命要比使用便宜的氧化鋁(Al2O3)的模塊的壽命提高兩倍。通過使用彈簧將門極、傳感器在DBC和驅(qū)動(dòng)/控制板之間連接了起來，因而減少了功率模塊中連線的使用數(shù)目。鍍銀彈簧也被證明是功率模塊中小電流控制和傳感器信號(hào)傳遞的一種可靠的方法。
DBC上直流和交流母排的緊密結(jié)合將寄生效應(yīng)降到最低。母排的濾波是通過1uF的金屬化聚丙烯電容來實(shí)現(xiàn)的，它也和母線排接合得很緊密。兩個(gè)電流傳感器和三個(gè)交流母排中的兩個(gè)結(jié)合在一塊并通過扁平電纜連接到控制板�？刂瓢迳嫌须娫础㈤T極驅(qū)動(dòng)、DSP、通信硬件（支持CAN/IEE485）以及保護(hù)電路，它通過彈簧與DBC相連。
更新版本的SKAI模塊正在研發(fā)當(dāng)中，為了更好地滿足汽車工業(yè)的需求，它將進(jìn)口最高制冷溫度從當(dāng)前的70ºC提升到105ºC，這種改進(jìn)對(duì)模塊中的每個(gè)元器件的額定運(yùn)行溫度都有很大的影響。模塊中其它的改進(jìn)包括使用更先進(jìn)的DSP控制器、更高的功率密度以及更高的可靠性。
除了應(yīng)用在汽車工業(yè)外，SKAI模塊正在進(jìn)行一些實(shí)地試驗(yàn)，如用于驅(qū)動(dòng)鐵路機(jī)車上的壓縮機(jī)，用于卡車上的移動(dòng)式輔助逆變系統(tǒng)。對(duì)汽車的相應(yīng)要求，如10kW/lb（千瓦/英磅）、330 W/Inch3 （瓦/立方英寸）以及 約$0.01/W（美元/瓦）方面，第一代SKAI如果要滿足今后汽車工業(yè)中混合電動(dòng)機(jī)車上的應(yīng)用需求，還有一段路要走。
汽車上的電力電子設(shè)備
任何懷疑內(nèi)燃機(jī)將從汽車上消失這一不可避免結(jié)局的人士都應(yīng)要細(xì)思考慮一下內(nèi)燃機(jī)低下的效率。在內(nèi)燃機(jī)一個(gè)完整的工作周期中所產(chǎn)生的全部能量只有約25%被用于去驅(qū)動(dòng)汽車或其它附屬設(shè)備。大部分能量（約70%）作為熱能被白白浪費(fèi)了。與此形成對(duì)比的是，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)㈦姵刂写鎯?chǔ)的能量以75％-90%的效率轉(zhuǎn)化為有用功。這就是為什么有一些專家預(yù)言“內(nèi)燃機(jī)到了終結(jié)的時(shí)代”的原因之一。當(dāng)然還有其它的一些原因，如汽車排放的尾氣造成的污染和不可再生能源等等。
直到十多年前，汽車上的大多數(shù)電氣負(fù)載都是由如排風(fēng)扇、娛樂系統(tǒng)、燈光等汽車輔件構(gòu)成。近年來電氣負(fù)載已經(jīng)包括如防鎖制動(dòng)、多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、多功能顯示系統(tǒng)、HID燈光系統(tǒng)以及電子打火等負(fù)載。但是，為了代替機(jī)械連接（例如動(dòng)力方向盤）或提高低速時(shí)內(nèi)燃機(jī)的效率，在汽車設(shè)計(jì)中已經(jīng)引入了重要的電氣馬達(dá)，這對(duì)于新一代汽車來說它的電能需求將出現(xiàn)量的飛躍。目前全球市場(chǎng)對(duì)混合電動(dòng)汽車的需求有一個(gè)強(qiáng)勁的增長，因?yàn)檫@種汽車能夠?qū)㈦姍C(jī)的輸出和內(nèi)燃機(jī)的輸出結(jié)合起來以提高燃料的使用效率。如果我們用超前的眼光來看待混合電動(dòng)汽車以及將來完全依靠電能運(yùn)行的氫燃料電池汽車，很明顯汽車對(duì)電源的需求將會(huì)持續(xù)增長。
不出所料，功率電子器件在汽車上得到大規(guī)模的應(yīng)用，從而為功率模塊生產(chǎn)商提供了一個(gè)大量制造模塊的機(jī)會(huì)，使模塊將在一個(gè)簡單的封裝里集成很多元器件以及功能，并使模塊能夠很容易地被集成到大多數(shù)的汽車子系統(tǒng)中去。當(dāng)然，對(duì)汽車生產(chǎn)商和功率模塊生產(chǎn)商來說，這既是機(jī)會(huì)也是挑戰(zhàn)。汽車生產(chǎn)商需要培養(yǎng)他們的電力電子知識(shí)并和功率模塊生產(chǎn)商協(xié)同工作，而功率模塊生產(chǎn)商需要理解汽車對(duì)電力電子設(shè)備的應(yīng)用需求，并開發(fā)新的生產(chǎn)工藝以滿足汽車市場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備在體積、質(zhì)量和成本方面的需求。
汽車市場(chǎng)的挑戰(zhàn)
汽車對(duì)功率模塊的需求可大致劃分為兩大類——技術(shù)需求和經(jīng)濟(jì)性需求。技術(shù)性指標(biāo)指功率模塊滿足汽車在電氣性能、環(huán)境限制、體積以及重量方面的要求。而混合電動(dòng)汽車對(duì)功率模塊最重要以及最賦挑戰(zhàn)性的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)就是在不降低模塊性能或縮減模塊壽命的情況下讓其在冷卻進(jìn)風(fēng)口溫度為105ºC的情況下正常運(yùn)行。因此，如果能擴(kuò)大模塊運(yùn)行的溫度范圍(-40ºC至125ºC)，就會(huì)減輕設(shè)計(jì)者為模塊提供單獨(dú)制冷回路的負(fù)擔(dān)。
經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括生產(chǎn)商在不降低質(zhì)量、可靠性以及性能的情況下以較低的成本進(jìn)行大批量生產(chǎn)功率模塊的能力。如今在電氣元件故障是造成汽車問題的主要原因的情況下，功率電路則是混合動(dòng)力汽車的最關(guān)鍵部件，所以很容易理解功率模塊的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)比技術(shù)性指標(biāo)更種要的原因。
傳統(tǒng)而言，大多數(shù)功率模塊生產(chǎn)商一直是驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)商的元器件供應(yīng)商，功率模塊的市場(chǎng)主要集中在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源上。因此如今的很多驅(qū)動(dòng)器能夠滿足汽車市場(chǎng)對(duì)功率模塊電氣性能的要求，但是不能滿足汽車嚴(yán)酷的運(yùn)行環(huán)境的要求。而能夠滿足汽車環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器通常都是軍品或航空級(jí)產(chǎn)品，但不能滿足汽車對(duì)功率模塊的成本要求。因此汽車市場(chǎng)迫切需求新一代的功率模塊，希望它們能夠在性能、功率體積比、堅(jiān)固耐用、質(zhì)量、可生產(chǎn)性以及價(jià)格之間找到適當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)。
迎接挑戰(zhàn)
第一個(gè)在技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)之間找到合適的平衡點(diǎn)的產(chǎn)品來自于賽米控的第一代“汽車功率模塊”。SKAI(賽米控先進(jìn)的集成技術(shù))模塊在單一的封裝里集成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)所必須的所有硬件，從它上面我們可以看出功率模塊未來的大致雛形。
SKAI模塊集成了基于IGBT的功率單元、液冷或風(fēng)冷散熱器、門極驅(qū)動(dòng)電路、DSP控制器、多個(gè)傳感器以及各種保護(hù)電路，它為汽車市場(chǎng)提供了一個(gè)現(xiàn)成的解決方案。SKAI全系列產(chǎn)品都是在滿足QS9000標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)線上制造的，而且其設(shè)計(jì)時(shí)的工作溫度范圍就是從-40ºC 到85ºC的。進(jìn)口的溫度上限是70ºC，如果溫度更高，則需要降額使用。
SKAI功率模塊的核心部分是六個(gè)IGBT構(gòu)成的功率單元，它由三個(gè)半橋焊接到氮化鋁陶瓷基板（DBC）上組成。每個(gè)DBC上面有十二個(gè)600V NPT或1200V 溝槽IGBT、六個(gè)匹配的二極管、門極電阻以及一個(gè)正溫度系數(shù)的熱敏電阻構(gòu)成。從每個(gè)DBC的交流和直流母排結(jié)構(gòu)之間可以看出它有很高的集成度�？偩�結(jié)構(gòu)（交流和直流母排）和DBC使用賽米控的SKiiP®技術(shù)在超過2,100 lbs/Inch2的壓強(qiáng)下壓接起來的，這是一項(xiàng)獨(dú)特的受專利保護(hù)的壓接技術(shù)。壓接系統(tǒng)消除了在DBC和模塊基板之間常見的大面積的焊接界面，這便提高了連接的可靠性。因此SKAI模塊就循環(huán)負(fù)載測(cè)試性能而言比使用基板的傳統(tǒng)功率模塊的性能要優(yōu)越十倍。氮化鋁基板的使用也提高了系統(tǒng)的可靠性。研究表明使用氮化鋁模塊的壽命要比使用便宜的氧化鋁(Al2O3)的模塊的壽命提高兩倍。通過使用彈簧將門極、傳感器在DBC和驅(qū)動(dòng)/控制板之間連接了起來，因而減少了功率模塊中連線的使用數(shù)目。鍍銀彈簧也被證明是功率模塊中小電流控制和傳感器信號(hào)傳遞的一種可靠的方法。
DBC上直流和交流母排的緊密結(jié)合將寄生效應(yīng)降到最低。母排的濾波是通過1uF的金屬化聚丙烯電容來實(shí)現(xiàn)的，它也和母線排接合得很緊密。兩個(gè)電流傳感器和三個(gè)交流母排中的兩個(gè)結(jié)合在一塊并通過扁平電纜連接到控制板�？刂瓢迳嫌须娫础㈤T極驅(qū)動(dòng)、DSP、通信硬件（支持CAN/IEE485）以及保護(hù)電路，它通過彈簧與DBC相連。
更新版本的SKAI模塊正在研發(fā)當(dāng)中，為了更好地滿足汽車工業(yè)的需求，它將進(jìn)口最高制冷溫度從當(dāng)前的70ºC提升到105ºC，這種改進(jìn)對(duì)模塊中的每個(gè)元器件的額定運(yùn)行溫度都有很大的影響。模塊中其它的改進(jìn)包括使用更先進(jìn)的DSP控制器、更高的功率密度以及更高的可靠性。
除了應(yīng)用在汽車工業(yè)外，SKAI模塊正在進(jìn)行一些實(shí)地試驗(yàn)，如用于驅(qū)動(dòng)鐵路機(jī)車上的壓縮機(jī)，用于卡車上的移動(dòng)式輔助逆變系統(tǒng)。對(duì)汽車的相應(yīng)要求，如10kW/lb（千瓦/英磅）、330 W/Inch3 （瓦/立方英寸）以及 約$0.01/W（美元/瓦）方面，第一代SKAI如果要滿足今后汽車工業(yè)中混合電動(dòng)機(jī)車上的應(yīng)用需求，還有一段路要走。
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