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英飞凌适用于轻度混合动力汽车的IGBT芯片技术

2013年12月30日 04:12 来源:英飞凌科技股份公司 作者:Carlos Castro+Andreas Kopetz+Laurent Beaurenaut
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1 引言

油价的高企、储量的匮乏和二氧化碳减排需求,所有这些都促使各国政府针对燃油效率出台新法规。在北美,汽车OEM厂商到2016年必须达到35 mpg的燃油效率标准;在欧盟,到2020年,汽车的碳排放将被限制为95 g/Km。对此,汽车厂商的应对之道,在于推出混合动力汽车和电动汽车[1]。

通过对当前市场数据的分析,我们可以清楚地看到这种节能技术发展轨迹:节油率由低到高排名,在改进传统内燃机的燃油效率举措之后,就是轻度混合动力汽车,然后是全混动力汽车,最后是电动汽车。

与全混合动力系统不同,轻度混合动力系统不能只依靠电力驱动车辆(纯电力驱动工况)。电动机可用于启动内燃机(启停功能优化发动机的怠速),并在车辆加速时提供助力,或在制动时实现能量回收。这种系统是一种很经济的提升燃油效率的方式。相对于传统内燃机,某些系统可使燃油效率提高15%至20%,而成本却只增加了几百美元。

由于轻度混合动力汽车的电动机功率有限(不足20KW),因此所需的电池电压比全混动力汽车或纯电动汽车的电池电压低,目的是降低各种组件的成本(电池、开关、电容器……)。如今,轻度混合动力汽车的设计电池电压高达200V,而全混合动力汽车或纯电动汽车的电池电压则高达450V(在安装升压器的条件下甚至会更高)。所有这些车辆都采用相同的主逆变器开关技术:绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

由于其出色的特性,IGBT已被公认为具备最优性价比的半导体开关。要想达到最优性能(最低损耗),需要优化逆变器高压系统的母排(降低系统的整体杂散电感),并缩小电池电压与IGBT耐压的差距。不幸的是,迄今,没有一种IGBT技术的耐压电压低于600V。这意味着,当混合动力车的电池电压为100V至200V (轻度混合)时,相对600V就会存在巨大的差距,有过多的设计裕量。同时逆变器因为损耗较高会降低系统效率,从而导致燃油效率变低。

2 采用40微米晶圆的400V IGBT

沟槽和场截止技术最大限度降低了IGBT的稳态损耗和开关损耗。一个沟槽单元[2]与一个场截止垂直概念有机结合在一起。

由于有更多的载流子聚集在发射极(阴极)周围,因此,沟槽单元可降低通态损耗。场截止概念是由NPT概念演变而来,在晶圆的背面植入了一个氮掺杂层(图1)。将这种场截止区与电阻率提高的基底晶圆结合在一起,可使器件的厚度降低近三分之一,同时保持相同的阻断电压。晶圆厚度的降低使得通态损耗和关断损耗进一步降低。场截止层是低掺杂层,因此不会影响也是植入晶圆背面的低剂量p发射极。

图1:沟槽与场截止IGBT单元

场截止概念意味着采用超薄晶圆技术,因此会在制造方面面临挑战。另一方面,IGBT的功耗大致与晶圆厚度的二次方成正比,因此晶圆厚度的降低意味着系统性能的提升。鉴于这些原因,650V家族选用了70微米左右的超薄晶圆,其厚度相对于其他一流器件降低了近30%。电压降低至400V,意味着需要选用40微米左右的超薄晶圆,因此会面临巨大的技术挑战,诸如退火、金属化、钝化、光刻和蚀刻等。

复杂的晶圆处理至关重要,包括用于超薄晶圆的十分特殊的设备和利用优化的背面金属化实现控制的晶圆翘曲。晶圆自身的减薄处理是一个包括晶圆研磨和湿法化学刻蚀在内的整合工艺[3]。

3 电气性能

首个采用这种全新40微米IGBT技术开发的产品选用了HybridPACK1封装(图4)。

图2:HybridPACK1封装

HybridPACKTM 1是公认的成熟功率模块封装,用于650V电压范围和其他平台。它设计用于功率在30 kW范围内的轻度混动力汽车应用和全混合动力汽车应用。设计工作结温为150°C,该模块采用6单元配置,适用于空冷或液体冷却逆变器系统。这种扁平的铜基板与高性能陶瓷基底和英飞凌增强的绑定线工艺有机结合在一起,可为轻度混合动力汽车逆变器应用提供无与伦比的热循环和功率循环可靠性。

与先进的650V IGBT/二极管芯片组的直接比对结果显示,400V IGBT/二极管在更低的直流线路电压下,不但可大幅降低导通损耗,还可大幅降低开关损耗。400V芯片与650V芯片损耗的比对,是在芯片尺寸(die size )几乎相同的情况下,利用650V IGBT3/Emcon4芯片组代替400V IGBT3/Emcon4芯片组(400V/216A和650V/200A)进行的。这两个芯片组的测量是在相同条件下(试验台设置、PCB和额定电流)完成的。

400V IGBT/二极管芯片组的总导通损耗相对于650V IGBT/二极管芯片组大约降低15%,如下表所示。

 

Vce_sat [V],在25°C

Vf [V],在25°C

Vce_sat [V],在150°C

Vf [V],在150°C

导通损耗650V [mJ]

1.45

1.55

1.70

1.45

导通损耗400V [mJ]

1.30

1.35

1,45

1,20

导通损耗降幅 [%]

10.3

12.9

14.7

17.2

1 215A IGBT 430A二极管在25°C150°C下的导通损耗之比(Vce=120VIc = 215A / 200A)。

400V IGBT/二极管芯片组的总开关损耗相对于FS215R04A1E3D模块的650V IGBT/二极管芯片组大约降低12%。

 

Eoff

Eon

Erec

Esum

开关损耗650V [mJ]

3.95,在Rg = 1.8 ?

1.0,在Rg = 1.8 ?

3.0,在Rg = 1.8 ?

7.95

开关损耗400V [mJ]

3.75,在Rg = 1.8 ?

0.75,在Rg = 1.8 ?

2.5,在Rg = 1.8 ?

7

开关损耗降幅[%]

5%

25%

17%

12%

2:栅极电阻相同时的开关损耗比对(Tj = 150°CVce = 120VIC = 215 / 200A

4 结论

用于轻度混合动力汽车的具备更低工作电压(高达200V)的新型IGBT技术现已问世。采用厚度仅为40微米的超薄晶圆,不仅可大幅降低导通损耗,还可显著降低开关损耗。克服各种技术挑战之后成功推出这些器件,将会对混合动力汽车燃耗的进一步改进产生直接影响。

编辑:susan