汽车电子：开发下一代汽车功率模块
作者：SEMIKRON项目经理John Mookken
汽车未来的设计方向正在改变，其较明显的迹象之一能够从北美和欧洲市场上为驾车者提供的日益增多的新型混合电动汽车展示模型上看出来。这种趋势也可能混淆功率模块和电机驱动器之间的界限。
汽车上的电力电子技术
两个因素使得电力电子技术在未来的汽车应用上具有重要的地位。第一个广为人知的原因就是同交流电机相比，直流电机的可靠性和效率都相对逊色。交流感应电机的部件少，如：没有电刷和换向器，这极大地提高了交流电机的可靠性。与同样额定功率的直流电机相比，交流电机体积小、成本低、效率高。众所周知，过去交流电机驱动器成本高，控制复杂一直阻碍着它在一些行业的应用。
第二个因素就是大多数的混合动力汽车以及未来的汽车驱动器都要求电能以直流形式存储一定的时间。这就意味着，除非直流电机的设计能够在任何技术上取得关键性的突破，否则在今后的汽车上，能量就必须被多次地从一种形式转换到另一种形式，从而在本质上确保了电力电子技术产业在汽车工业上有着光明的市场前景。当前的混合电动汽车上，电能由内燃机产生，并被存储在蓄电池组中。无论功率模块组设计采用并联、串联或是混合设计，电能的产生方式是没有改变的。在今后的设计中，燃料电池/蓄电池组可能会取代内燃机。但无论是哪一种情形，在充电、制动、再生发电以及驱动马达时电能都必须进行转换。当比较图1中描述的不同的传动系统时，能量转换器和电机都是其中较重要的部件。
图1. 当前无内燃机的混合氢动力燃料电池汽车中较常见的传动系统就是分离混合和全混合设计。
汽车行业的需求
在当今的工业应用领域，电力电子产品约有400亿美元的市场，可是这些产品都不是为汽车工业而专门设计制造的。工业驱动元器件不能满足汽车行业严酷的运行环境及对设备可靠性的要求，而军品级元器件的价格又太高，但是当今的市场正在发生着改变。随着未来汽车电气化程度越来越高，电机传动和驱动产品正在从设计中心走向生产线，功率模块供应商也正认识到必须开发专门设计的功率模块来满足汽车工业近期和远期的要求。生产出能够满足汽车制造商所要求的诸如性能、可靠性、成本和可生产性的功率模块的竞赛已经开始。
总之，用于汽车牵引的不论是正在开发的还是已投入生产的任何新型功率模块的关键特征可总结如下：
集成度——在功率器件、母线结构、散热器、母线电容和门极驱动/控制器等方面进行高度的集成以全面优化设备的性能。性能通过如下几个指标来进行测试：输出功率、尺寸、重量、成本和可生产性。
高温运行——汽车中现存的循环液体源，如水箱冷却液和润滑液体，使得汽车上的功率模块采用液体进行冷却成为一个优选方案，以改善模块性能。因此功率模块生产商所面对的挑战就转化为设计出能够被入口温度为105℃的发动机冷却液或润滑剂所冷却的功率模块。功率模块的工作温度范围也将变得更宽（-40℃至125℃）。功率器件将需要更高的工作结温（Tj=175℃），器件封装和电子元件也需要更高的额定温度（150℃）。
灵活性——本文中“灵活性”一词包含模块的可升级性、模块化特征和可定制性。目前和近期用于汽车牵引的连续负载功率在10kW到120kW之间，和过去的内燃机一样，该数值有可能随着时间的过去而需要逐渐增加。可升级性应该允许模块的输出功率在不改变模块的安装孔距的情况下容易地增加或减少。模块化应允许当某些新技术成熟时能迅速地被整合到整体设计中去，而客户定制性则允许将客户的部件集成到现存的设计中。
耐用性——在严酷的汽车环境中具备高度可靠性是对任何汽车部件的基本要求，然而传统的功率模块不能满足在“引擎罩”温度和震动的工作条件。用于汽车的功率模块还必须和汽车的生命周期保持一致，通常是100,000英里（160,000公里）或15年。新型功率模块还必须通过更严格的电气、机械、EMI和环境方面的测试。
经济性——和上述几个指标对立的另一个关键指标就是模块的经济性。如果功率模块想在汽车领域占据市场，那么功率模块的合理的目标估计价应小于6/kW/美元。
SKAI先进的集成模块
集成了上述大多数所提到的期望的特性的全新的第一代为汽车工业而设计的功率模块就是赛米控的SKAI（SEMIKRON Advanced Intergaration，即赛米控先进的集成技术）。它将驱动功能所必须具备的硬件都集成在一个封装里，使我们对未来的功率模块有了一个大致的认识。
该模块集成了带有液冷散热器的功率单元、门极驱动电路、控制器和保护电路，它能够为汽车制造商提供一个现成的解决方案。图2指示了构成SKAI模块的关键元器件。
图2. 基于SKAI功率模块的600V或1200V IGBT的主要子系统元器件（红色元器件可由客户供应部件代替）。
从在每一个无底板的半桥电路上的交流和直流母线结构之间就可以看出模块的高集成度（参见图4）。每个氮化铝陶瓷基板上包含了12个600V非穿通型或1200V沟道IGBT，6个匹配的二极管以及一个正温度系数的温度传感器。通过赛米控的SKiiP® 技术即一种独特的受专利保护的压接技术，母线结构（交流和直流）和陶瓷基板在超过153kg/cm2的压力下压接在一起。在陶瓷板上紧紧连接的直流母排和交流母排的寄生效应降到较低。通过紧密的集成在母排上的1微法金属化聚丙烯电容对母线进行滤波。两个磁阻电流传感器和三相交流母线中的两相集成在一起，并通过柔性电缆连接到控制板。控制板通过弹簧和陶瓷基板相连，控制板上面包含了辅助电源、门极驱动、DSP（数字信号处理器）、通信硬件（支持CAN/IEE485）和保护电路。
SKAI模块的工作温度范围为-40℃到85℃。模块的冷却方式为液冷或风冷。冷却液进口温度上限是70℃，如果温度更高，则需进行功率降额使用。
表1. 完整的汽车工业专用集成功率模块。
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器件等级 |
75V Mosfet |
100V Mosfet |
150V Mosfet |
600V IGBT |
1200V IGBT |
|
持续输出功率（kW） |
15 - 30 |
25 - 44 |
27 - 65 |
160 |
250 |
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典型直流母线电压（VDC） |
24 - 42 |
36 - 64 |
48 - 110 |
230 |
480 |
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输出相电流 峰值（Arms） |
700 |
600 |
500 |
500 |
400 |
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模块尺寸（mm） |
315（l）×115（w）×95（h） |
400（l）×215（w）×100（h） | |||
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模块质量（kg）液冷 |
3.0 |
8.2 | |||
SKAI的模块化设计特征使得本模块极易满足客户定制的要求。在一些应用中，如果客户自己能够提供散热器，因为这些散热器本身就是整个系统外壳的一部分，或者提供具备特殊连接器或处理器的控制板时，在使用SKAI模块时客户受到的限制特别少。
图3. 模块化设计使SKAI模块极易满足特定客户或特定用途的定制要求。
SKAI模块采用的SKiiP® 技术是赛米控于1992年在功率模块上引入的。除了简化模块的装配外，该压接系统消除了大的焊接接触面，典型的例子就是模块陶瓷基板和铜底板之间，这极大地提高了系统的可靠性。采用压接技术的模块比传统焊接模块在周期性负载测试中性能要好10倍。氮化铝基板也能提高模块的可靠性，研究表明如果模块采用氮化铝而不是成本稍低的三氧化二铝（Al2O3），则寿命会提高两倍。压接系统通过使用弹簧将门极电路和传感器从DCB连接到驱动电路/控制板上去，这种方式能够减少功率模块中连线的数量。在功率模块中镀银的弹簧被证明是在低电流控制和传感器连接中的一种高度可靠的方法。
