吴海平 电动汽车中的IGBT模块

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1 2 3 4电动汽车中IGBT的工作原理 性能及可靠性要求 应用中的失效 主要车用IGBT模块

HEV的电气系统示意图

DM电气系统示意图空调 压缩机逆变器电池控制箱发动机 M1离合 M2驱动轮主变速齿轮

IGBT是电动汽车中的核心器件之一¾ 电动控制系统：用电控系统的IGBT模块成本约占整车成本10% ¾ 车载空调控制系统 ¾ 充电系统内有两组 三相全桥 IGBT模块发动机 M1 M2驱动轮 主变速齿轮两个电机 需两组逆变器

电控系统的原理Sa Sb Sc— Sa— Sb— Sc Ib IcMotor Ia电池控制器

电动汽车用IGBT面临的挑战¾ 工作环境温度变化幅度大 ¾ 个人驾驶习惯差异大 ¾ 路况复杂 ¾ 电机峰值功率高 ¾ 输出功率变化频繁 ¾ 可靠性要求高，工作寿命长，失效后影响大 ¾ 定制化要求：体积、重量、形状

IGBT性能要求¾ 额定电压VCES：考虑充满电后的电池电压、寄生电感、di/dt等的影响，一般为电池电压的两倍以上¾ 额定电流IC：考虑电机的峰值功率 ¾ 工作频率： ¾ VCEsat需为正温度系数，尽量低，关断软度好 ¾ 安全工作区：短路耐量高、RBSOA大，最好具有一定的雪崩耐量 ¾ Tjmax≥150℃ ¾ 模块热阻低，热容大 ¾ EMI

IGBT可靠性要求测试项目 温度循环 (TC) 热冲击测试 (TS) 机械振动 (MV) 机械冲击 (MS) 高温存储 (HTS) 低温存储 (LTS) 高温反向偏 (HTRB) 高温栅极偏压 (HTGB)3 高温高湿存储 (H TRB)测试条件及要求 -40℃～125℃，≥1000 cycles -40℃～125℃，≥100 cycles ≥10g，2hrs per axis(x,y,z) ≥100g，3次, 每个方向（±x,±y,±z ） Ta=150℃，≥1000hrs Ta=-40℃，≥1000hrs ≥1000hrs ，80% VCES，VGE=0，Tj=150℃ ≥1000hrs ，Tj=150℃ ≥1000 hrs ，Ta=85℃，RH=85%, 80%VCES，最大不超过100V ≥96hr，15psig，RH=100% ，Ta=121℃ △Tj=100K，≥30000 cycles压力锅试验 (AC) 功率循环 (PC)

IGBT在电动汽车应用中的失效¾ IGBT芯片失效： 过热 过压 过流 动态失效¾ 模块的老化失效： 电极端子、外壳 焊接层 芯片键合线¾ 其他失效：腐蚀等

IGBT常见失效过热失效：¾ 环境温度高 ¾ 温度保护点设置不合适，温度保护不及时 ¾ 电流过大，器件损耗过高 ¾ 热容低 ¾ 热阻高

IGBT常见失效¾ 过压失效： 器件耐压余量不够 寄生电感大 吸收电路 过流保护时关断不合理¾ 过流失效：启动、急加速、急减速、半坡起步、电机 堵转/卡死

IGBT常见失效芯片 硅胶 焊料 陶瓷 底板 键合线 铜模块中容易失效的部位

IGBT常见失效—电极脱落¾ 电极结构设计不合理 ¾ 电极焊接工艺 ¾ 装配 ¾ 衡量方法：机械振动/冲击电极脱落

IGBT常见失效—焊接分层¾ 材料热膨胀系数和韧性 ¾ 焊料成分 ¾ 焊料厚度 ¾ 焊接面积 ¾ 衡量方法：温度循环/冲击25 20 15 10 5 0 Si Al2O3 (96%) AlN Si3N4 Cu Cu-Mo AlSiC Al温度循环次数 (ΔTc=165°C) 0 75 150 225

IGBT常见失效—键合线失效¾ 键合线有大电流通过时，键合线会发生振动 ¾ 键合线和Si热膨胀系数不一致，在Tj变化的过程中发生原子重构导致键合线断裂 ¾ 衡量方法：功率循环 ¾ 影响因素 键合工艺 键合线成分 芯片表面金属化工艺及成分

HEV IGBT模块¾ 两组三相全桥 ¾ IGBT额定电压：850V ¾ IGBT芯片集成温度、电流传感器

双面散热 IGBT模块¾ 采用可焊正面金属工艺，单管封装 ¾ 将单管IGBT双面散热器散热

直接水冷 IGBT模块¾ 三相全桥IGBT ¾ 650V, 200A/400A/800A ¾ 插针状底板，可直接水冷，热阻降低50%以上

无焊接 IGBT模块¾ 三相全桥，600V, 600/900A;1200V, 300A/450A ¾ 芯片与DBC之间采用烧结工艺 ¾ 信号端子为弹簧电极 ¾ 主电极和DBC上的连接方式为压接 ¾ DBC与底板连接方式为压接， 无TC失效问题

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