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)燃機低下的效率。在內(nèi)燃機一個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了。與此形成對比的是，電機及其驅(qū)動器能夠?qū)㈦姵刂写鎯Φ哪芰恳?5％-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)燃機到了終結(jié)的時代”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、多計算機系統(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，為了代替機械連接（例如動力方向盤）或提高低速時內(nèi)燃機的效率，在汽車設(shè)計中已經(jīng)引入了重要的電氣馬達，這對于新一代汽車來說它的電能需求將出現(xiàn)量的飛躍。目前全球市場對混合電動汽車的需求有一個強勁的增長，因為這種汽車能夠?qū)㈦姍C的輸出和內(nèi)燃機的輸出結(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汽車以及將來完全依靠電能運行的氫燃料電池汽車，很明顯汽車對電源的需求將會持續(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)商提供了一個大量制造模塊的機會，使模塊將在一個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，對汽車生產(chǎn)商和功率模塊生產(chǎn)商來說，這既是機會也是挑戰(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對電子設(shè)備在體積、質(zhì)量和成本方面的需求。
汽車市場的挑戰(zhàn)
汽車對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。而混合電動汽車對功率模塊最重要以及最賦挑戰(zhàn)性的一個技術(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風(fēng)口溫度為105ºC的情況下正常運行。因此，如果能擴大模塊運行的溫度范圍(-40ºC至125ºC)，就會減輕設(shè)計者為模塊提供單獨制冷回路的負(fù)擔(dān)。
經(jīng)濟性指標(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)動器生產(chǎn)商的元器件供應(yīng)商，功率模塊的市場主要集中在工業(yè)電機驅(qū)動器和電源上。因此如今的很多驅(qū)動器能夠滿足汽車市場對功率模塊電氣性能的要求，但是不能滿足汽車嚴(yán)酷的運行環(huán)境的要求。而能夠滿足汽車環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動器通常都是軍品或航空級產(chǎn)品，但不能滿足汽車對功率模塊的成本要求。因此汽車市場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、堅固耐用、質(zhì)量、可生產(chǎn)性以及價格之間找到適當(dāng)?shù)钠胶恻c。
迎接挑戰(zhàn)
第一個在技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟性指標(biāo)之間找到合適的平衡點的產(chǎn)品來自于賽米控的第一代“汽車功率模塊”。SKAI(賽米控先進的集成技術(shù))模塊在單一的封裝里集成了驅(qū)動電機所必須的所有硬件，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)動電路、DSP控制器、多個傳感器以及各種保護電路，它為汽車市場提供了一個現(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)計時的工作溫度范圍就是從-40ºC 到85ºC的。進口的溫度上限是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IGBT構(gòu)成的功率單元，它由三個半橋焊接到氮化鋁陶瓷基板（DBC）上組成。每個DBC上面有十二個600V NPT或1200V 溝槽IGBT、六個匹配的二極管、門極電阻以及一個正溫度系數(shù)的熱敏電阻構(gòu)成。從每個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。總線結(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的壓強下壓接起來的，這是一項獨特的受專利保護的壓接技術(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/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現(xiàn)的，它也和母線排接合得很緊密。兩個電流傳感器和三個交流母排中的兩個結(jié)合在一塊并通過扁平電纜連接到控制板。控制板上有電源、門極驅(qū)動、DSP、通信硬件（支持CAN/IEE485）以及保護電路，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，它將進口最高制冷溫度從當(dāng)前的70ºC提升到105ºC，這種改進對模塊中的每個元器件的額定運行溫度都有很大的影響。模塊中其它的改進包括使用更先進的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模塊正在進行一些實地試驗，如用于驅(qū)動鐵路機車上的壓縮機，用于卡車上的移動式輔助逆變系統(tǒng)。對汽車的相應(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)中混合電動機車上的應(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)燃機低下的效率。在內(nèi)燃機一個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了。與此形成對比的是，電機及其驅(qū)動器能夠?qū)㈦姵刂写鎯Φ哪芰恳?5％-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)燃機到了終結(jié)的時代”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、多計算機系統(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，為了代替機械連接（例如動力方向盤）或提高低速時內(nèi)燃機的效率，在汽車設(shè)計中已經(jīng)引入了重要的電氣馬達，這對于新一代汽車來說它的電能需求將出現(xiàn)量的飛躍。目前全球市場對混合電動汽車的需求有一個強勁的增長，因為這種汽車能夠?qū)㈦姍C的輸出和內(nèi)燃機的輸出結(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汽車以及將來完全依靠電能運行的氫燃料電池汽車，很明顯汽車對電源的需求將會持續(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)商提供了一個大量制造模塊的機會，使模塊將在一個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，對汽車生產(chǎn)商和功率模塊生產(chǎn)商來說，這既是機會也是挑戰(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對電子設(shè)備在體積、質(zhì)量和成本方面的需求。
汽車市場的挑戰(zhàn)
汽車對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。而混合電動汽車對功率模塊最重要以及最賦挑戰(zhàn)性的一個技術(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風(fēng)口溫度為105ºC的情況下正常運行。因此，如果能擴大模塊運行的溫度范圍(-40ºC至125ºC)，就會減輕設(shè)計者為模塊提供單獨制冷回路的負(fù)擔(dān)。
經(jīng)濟性指標(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)動器生產(chǎn)商的元器件供應(yīng)商，功率模塊的市場主要集中在工業(yè)電機驅(qū)動器和電源上。因此如今的很多驅(qū)動器能夠滿足汽車市場對功率模塊電氣性能的要求，但是不能滿足汽車嚴(yán)酷的運行環(huán)境的要求。而能夠滿足汽車環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動器通常都是軍品或航空級產(chǎn)品，但不能滿足汽車對功率模塊的成本要求。因此汽車市場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、堅固耐用、質(zhì)量、可生產(chǎn)性以及價格之間找到適當(dāng)?shù)钠胶恻c。
迎接挑戰(zhàn)
第一個在技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟性指標(biāo)之間找到合適的平衡點的產(chǎn)品來自于賽米控的第一代“汽車功率模塊”。SKAI(賽米控先進的集成技術(shù))模塊在單一的封裝里集成了驅(qū)動電機所必須的所有硬件，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)動電路、DSP控制器、多個傳感器以及各種保護電路，它為汽車市場提供了一個現(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)計時的工作溫度范圍就是從-40ºC 到85ºC的。進口的溫度上限是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IGBT構(gòu)成的功率單元，它由三個半橋焊接到氮化鋁陶瓷基板（DBC）上組成。每個DBC上面有十二個600V NPT或1200V 溝槽IGBT、六個匹配的二極管、門極電阻以及一個正溫度系數(shù)的熱敏電阻構(gòu)成。從每個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。總線結(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的壓強下壓接起來的，這是一項獨特的受專利保護的壓接技術(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/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現(xiàn)的，它也和母線排接合得很緊密。兩個電流傳感器和三個交流母排中的兩個結(jié)合在一塊并通過扁平電纜連接到控制板。控制板上有電源、門極驅(qū)動、DSP、通信硬件（支持CAN/IEE485）以及保護電路，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，它將進口最高制冷溫度從當(dāng)前的70ºC提升到105ºC，這種改進對模塊中的每個元器件的額定運行溫度都有很大的影響。模塊中其它的改進包括使用更先進的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模塊正在進行一些實地試驗，如用于驅(qū)動鐵路機車上的壓縮機，用于卡車上的移動式輔助逆變系統(tǒng)。對汽車的相應(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)中混合電動機車上的應(yīng)用需求，還有一段路要走。
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