《电子技术应用》

未来汽车加速走向新能源 三菱电机汽车级IGBT全面应对

电子技术应用 作者:王洁
2018/3/19 16:43:00

截至2017年,我国电动汽车、新能源汽车销售量已达到77万辆,保有量超过160万辆,占世界的半壁江山。2017年主要新能源车企的销量排名中,比亚迪和北汽超过特斯拉和宝马,分别位居第一和第二,并且前20名家企业中,中国就有10家。业界一致认为,电动化、智能化、网联化、轻量化构成了未来汽车的发展方向,电动化平台更是汽车新技术的基础。

IGBT作为新能源汽车动力、电源系统中的核心器件,未来市场潜力巨大,各路新新企业纷纷涌入,而在IGBT领域具有领导地位的三菱电机自然不会放过这块市场,未来将加大其在汽车领域应用。

在2018新能源与智能网联汽车创新发展论坛期间,大中国区三菱电机半导体功率器件应用技术中心高级经理何洪涛先生接受了《电子技术应用》记着采访,分析介绍了电动汽车对IGBT模块的要求,以及三菱电机的应对措施,并分享了三菱电机在汽车级IGBT模块的未来发展。

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大中国区三菱电机半导体功率器件应用技术中心高级经理 何洪涛先生

三菱电机IGBT史

三菱电机从事电动汽车配套20多年,从最早的混合动力开始,丰田1997年推出普锐斯,三菱就开始配套,至今三菱电机在机车配套总器件达到千万级。之前是提供模块,近些年也有提供硅片的。三菱最早在日本主要提供客户定制型的汽车级模块,基于在日本市场长期和汽车厂家的合作,在四、五年前开始推出通用型的应用于电动汽车的IGBT模块。

目前三菱电机的IGBT模块解决方案包括两个系列:J系列和J1系列。J系列TPM模块采用了三菱电机独有的压注模式模块封装技术,是一种二合一IGBT模块,具有很高的可靠性,适合汽车严酷的运行对IGBT高强度的寿命密切相关的要求,有650V/300A和600A两款产品。J1系列EV PM采用了紧凑型Pin-fin结构模块封装,是一种六合一IGBT模块,具有很高的功率密度,有650V/1200V、300A~1000A等数款产品,可覆盖30kW~150kW的电机峰值功率要求,这也是三菱电机在中国市场力推的一个系列。

未来新能源汽车内部功率单元的集成度将越来越高,IGBT作为核心器件,其电流密度制约着整车的一体化结构设计。三菱电机J1系列EV PM是6in1模块,通过改进模块内部构造和绑定线技术以及底板冷却结构,减小热阻和封装尺寸,提高功率密度。

电动汽车对功率模块的要求

根据何洪涛先生的介绍,三菱电机主要针对应用场合对器件的要求做设计以及生产控制,结合与其他整机厂家长期以来的合作,总结出了电动汽车对功率模块的要求。

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电动汽车对功率模块的要求

寿命问题,相对工业品,汽车级功率模块面临的工况更恶劣,而时间寿命一般有10年12万公里的要求。对应的IGBT最主要的是两个参数:功率循环次数和热循环次数,三菱采用DLB技术提高功率循环寿命,同时树脂灌注封装则可提高热循环寿命。

品质可靠性含有两层意思,一层是故障率的问题,一层是运行可靠性的问题。三菱IGBT芯片级的温度及电流传感器,使得保护更及时、更可靠。

紧凑型或者高功率密度即封装的外观、尺寸以及内部的电流密度,三菱目前推出的J1系列的产品采用六合一模块,实现超紧凑型封装。

汽车还有其他的要求,如节能性、抗震性、易冷却等,三菱都有对应的处理。

四大特点应对汽车应用

第一,高可靠性。设计理念和可靠性测试方面与传统工业领域不同,要求更高。具体在指标上,对于故障率,工业品是100fit,车载级是10fit。

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第二,直接端子绑定技术(DLB)。车载级的IGBT模块使用DLB代替传统的铝绑定技术,增大硅片接触面积,热力分布更均匀,降低硅片的峰值温度,降低热应力。没有了传统IGBT端子的两个绑定点和焊接点,降低脱落的可能性,提高寿命期。

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第三,车载的安全性。三菱结合IGBT保护的需要,提供内部应有的条件。IGBT保护主要是对电流和温度的保护。传统的一般短路保护是进行退饱和保护、过温保护是NTC检测,是利用一些IGBT的特性做的间接保护。通过测电压间接反映电流,一般的保护,当真正保护的时候电流可能上到七八倍甚至是十倍,风险过大。三菱电机是方案在硅片上集成温度传感器和发射极电流检测,实现快速、安全的过温和短路检测。

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第四,高功率密度。与T-PM系列相比,汽车级模块尺寸大概降了70%,重量减轻了40%,容量升了20%。未来三菱会陆续开发一些新的技术,利用同样的封装,改一些材料,增加它的散热性能,提高电流能力。另外借鉴现在新的材料,比如碳化硅,进一步提高电流密度。

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IGBT的发展趋势

谈到IGBT的发展趋势,何洪涛先生认为主要在两方面:一是ChiP,还有封装技术的发展。

随着芯片的发展,硅材料可能会被替代,只是到什么时候被替代还要看市场发展,就眼前的发展来说会增加芯片的应用。现在各厂家逐渐推出汽车上用的碳化硅,在不久的将来会陆续推出。

另外在封装上如何与更多的厂家匹配,需要和整车厂充分交流,要找到不同厂家共性的东西,密切贴近具体的应用市场。封装的发展会和这个密切配合起来,推出更适合市场、竞争力更强的产品。目前的封装可能会考虑双面散热,因为双面散热可以增加散热效果,电密度可以做得更高,当然前提条件是要解决安装问题。

由于三菱电机之前多做客户型,而今面向中国市场主推的是通用型,按照中国市场的速度,需要想办法提高产量以满足市场需求。据悉,三菱工厂已经在计划扩产,不止是在中国,在欧美也会增加,这些都在规划中。

 

 


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