作为业界领先的汽车级功率模块制造商，英飞凌的HybridPACK系列IGBT功率模块已被很多国际知名OEM厂商所采用。近5年来，英飞凌就HybridPACK系列与国内主要OEM厂商、零部件供应商在原型机开发和量产项目的工程研发中有大量的沟通与合作。

相对于传统汽油机车辆，混合动力/电动汽车最大的区别在于引入了电力驱动的概念，可以将电池系统存储的电能转化为驱动车辆行驶的机械能，亦可在车辆制动时，回收机械能充入电池可提高能量利用率。

在动力电动机的控制与驱动方面，英飞凌HybridPACK系列IGBT功率模块是电池系统和电动机之间的能源桥梁。功率逆变器通过控制HybridPACK系列IGBT模块，可将电池的直流电（DC）转换为交流电（AC），以此驱动电动机，并利用制动动能，将AC转换回DC来为电池系统充电实现能量回收。作为核心零部件，IGBT的可靠性和应用水平对于系统设计的安全性有着重大影响。

HybridPACK家族经过不断发展和完善，主要有HybridPACK 1、HybridPACK 1 pinfin和HybridPACK 2共三种封装六种产品，能完整地覆盖100kW以下的电动机驱动的需求。通过和国内主要汽车OEM厂商和零部件厂家的合作，HybridPACK模块在中国市场有着很高的覆盖率。

技术特点

1. 汽车级认证和高可靠性设计

在汽车工业中，相应的零部件需要求采用AEC 100/101标准。随着高功率半导体模块在混合动力/电动汽车应用中出现，相应标准也被应用于功率模块。这迫使传统的功率模块供应商在制造汽车应用模块时必须满足更高的汽车质量标准，同时，该标准对功率半导体模块的技术要求并不完善。因此，英飞凌提出了相对更高的企业标准，针对汽车生产厂家需要IGBT模块在车辆全寿命周期中的更换需求，对IGBT的耐久性提出了更高要求（汽车整车设计寿命15年，运行12000h），因此，针对汽车应用中高可靠需求及恶劣的工作环境，需要专用IGBT才能满足苛刻的应用条件。

图3  通过仿真计算得出的电流-温度曲线

2. 优异的散热性能

电池直流电在转换为电动机驱动的交流电作DC/AC的能量转换过程中，无可避免地会有相应的能量损失，提高转换效率的同时需要增强散热降低系统运行温度，为此HybridPACKTM系列模块引入pinfin散热器直接水冷概念提高散热效率，水流在流过pinfin时形成涡流，增加热交换时间。因为没有了非金属的导热硅胶层，大大增加了散热器热传导效率，使得pinfin模块无论对长期问题下的发热温升，还是对瞬态的热冲击都有良好的适应性。

在相同的散热面积和相同散热器水流速度下，通过相同的电流，pinfin散热器温升37℃，而带底板涂导热硅胶的模块温升达69℃。对比热阻，无论是瞬态特性，还是稳态特性，都可以得出以下性能排序：pinfin散热器＞带底板模块＞DCB不带底板模块。

3. 技术支持

用于HybridPACK 2的HybridKIT既是一种参考设计，也是一种开发三相逆变器系统的绝佳工具。它不仅支持硬件测试和测量（即短路、温度等），而且支持软件开发。它包含了构成一个完整系统所必需的全部组件，并且提供与其他外接组件连接的接口（电动机接口、电流测量和通信接口）。随机提供的还有全套文档，包括部件清单、电路设计和布局数据等，使客户可以尽快开始混合动力/电动汽车系统的开发。

应用实践

车载逆变器功率部分设计的挑战主要是驱动和保护电路、功率半导体的散热设计和寿命计算及高压主功率回路设计。针对相应要点，结合客户在应用中出现的常见问题做出如下分析：

1. 产品的选型和计算

不同于传统工业逆变器，混合动力/电动汽车逆变器对功率模块选型设计有更高的要求，不仅要保证车辆在各种行驶工况下的安全可靠性运行（基本要求），还要能保证模块的使用寿命预期满足整车使用周期内不更换模块的需求。同时，成本也是汽车工业在量产时考虑的重点，因此不能采用一些工业设备中采用的、通过增加设计裕量的方法保证可靠性，需要精确地计算和仿真，计算出能保证系统应用安全运行的最小设计裕量。

对此，英飞凌提出了一系列仿真和计算方法，并提供相应的技术支持帮助客户实现可靠的设计，同时建议为了提高设计的准确性，需要OEM厂商、零部件供应商及半导体供应商一起合作并讨论相关参数，通过选型设计阶段精确的计算和仿真（见图1），保证设计的合理和可靠性。

2. IGBT最大工作电流

在定义IGBT安全工作区域时，最大持续电流是一个很重要的边界条件，它决定了电动机逆变器的最大输出电流，进而决定了电动机输出最大转矩，从而影响了整车的动力性能，因此需要精确计算，在保证IGBT的安全情况下提供最大电流。当然可以采用降额设计的方法来保证安全，但对于汽车应用对成本的苛刻要求，最好的方法还是通过精确设计，而不是过设计（放大安全裕量）来保证安全。

（1）最大电流的定义

IGBT datasheet中最大工作电流主要取决于温度，datasheet参数对于理解IGBT的等级和容量很有帮助，但对于设计计算而言，需要结合具体的应用情况，综合散热系统流速、工作温度、频率及电压等参数来做更近一步计算（见图2、图3）。

（2）流速对电流的影响

为使pinfin散热器能充分发挥散热性能，需要注意：需要保证散热系统内部总有散热液体浸泡，pinfin在空气中热交换能量较弱，无散热液体容易损坏模块；优化的流速设计，最低需要达到5L/min。流速太低使得散热水不能在pinfin底部形成湍流，热交换效率低，高于15L/min会导致明显增加散热水泵功率，却不能明显增加电流能力。所以建议优化的流速为8～12L/min。

（3）车辆低速爬坡工况对电流的影响

当电动机处于堵转或低速情况下，相当于永磁同步电动机的旋转磁场持续给定某个矢量（如[100]），IGBT内部硅片功率损耗分布根据热仿真可知，某一个IGBT单元始终处于导通状态和开关状态，最大功耗将集中在该硅片上，急剧增大的损耗将使该IGBT单元硅片温度迅速上升，当转速逐渐提高后，温度开始平均分配到6路IGBT上，电流的导通能力恢复到正常状态（见图4）。同时需要注意的是，不同的占空比会导致发热分布的差异，占空比小时二极管温升较高，而随着占空比的增大IGBT的损耗又将占主导作用。

3. IGBT最高工作电压

由于系统中存在着杂散电感，在IGBT模块关断过程中会产生过冲电压，这会加载到直流母线上，可能会超过IGBT模块或者电容两端的最大阻断电压，对直流母线电容和IGBT模块都会造成损害，尤其是在短路过程中，电流上升率更明显，根据Vs=Ls×di/dt，会有更高的过冲电压（见图5）。

为了避免电压过压风险，主要采取的方法有：采用优化的母线布局设计（减小母线电感）、源箝位电路进行保护（过压时电路保护）和适当加门极电阻（减小di/dt值）（见图6）。

4. IGBT驱动电路

（1）驱动信号

设计IGBT的驱动电路时，应考虑以下几个因素：要有一定的驱动功率，即驱动电路能提供足够的电流，在所要求的开通时间和关断时间内对IGBT的输入电容Ciss充电和放电；驱动电路延迟时间要小。开关频率越高，延迟时间要越小；大功率IGBT在关断时，有时须加反向电压（+15V/-8V驱动），以防止受到干扰时误开通；驱动信号有时要求电气隔离。

另外，因为逆变器作为高压系统，还需要考虑逆变器高压主电路运行对驱动电路的影响，正常和受干扰状态下的IGBT驱动信号如图7所示。

（2）驱动功率和峰值电流

IGBT模块的开关频率是由驱动电源的有效功率和PCB板的温度限定的（见图8）。根据理论得知，门极电阻产生的功率损耗是一个由门极电荷、驱动器输出电压的阶跃变化和开关频率组成的函数。功率损耗产生的热量主要是通过PCB板消散的，会使门极电阻周围的温度升高。当DC/DC变换器的有效功率没有超过最大值时，开关频率的限制因素主要是PCB板的FR4材料的绝对最高气温。FR4材料允许的最大工作运行温度为105℃，一般情况下，门极电阻产生的功率损耗可以通过Pdis=PRcext+PRcint=ΔVout×fs×Qge公式进行计算。

与每个驱动IC连接的两个三极管用来放大驱动IC的输出功率，采用这种方法，可以为IGBT模块提供足够大的驱动电流，解决驱动IC不能单独提供足够电流的问题。一个NPN三极管用来开通IGBT模块，另一个PNP三极管用来关断IGBT模块。三极管设计的放大率使得可以提供足够大的峰值电流去驱动HybridPACK IGBT模块，峰值电流可以采用公式计算。

5. 温度检测

HybridPACKTM模块中包含一个或多个集成的NTC（负温度系数）传感器IGBT模块中充满了硅凝胶，起到隔离作用。在正常运行条件下，可以满足隔离电压的要求，然而该特性仅可实现功能性绝缘（通常为1.5 kV）。如果发生故障（如栅极驱动电路），绑定线在故障事件期间改变其位置，或者故障过程中因电弧作用而形成的等离子体路径，会形成导通路径。因此，如果必须实现超过功能性绝缘的绝缘要求，在外部附加额外的绝缘屏障（如线性光耦隔离采样芯片）。同时，对参考设计的采样电路特性作了优化，原有设计在高温时分辨率过低，不能很好的实现温度采样功能，更改后的方案在全温度范围内都能实现较高的分辨率（见图9）。

结束语

相对于工业应用，功率半导体模块在汽车中的应用有很多需要额外注意的考量，为保证元器件的可靠性，需要选择汽车级专用产品。合理的设计，特别是IGBT驱动和高压功率回路的设计，是产品可靠性的保证。同时，在产品验证阶段，需要按照汽车级系统相应标准要求，反复验证设计，才能最终保证新能源汽车驱动系统的可靠性。