图1  常见混合动力汽车的辅助系统

针对HEV/EV辅助系统，英飞凌推出了easy module系列汽车级IGBT功率模块，不仅可以有效较低系统功耗，而且能够确保在汽车全寿命范围内IGBT模块安全可靠地工作。

HEV/EV对辅助系统的要求

传统内燃机汽车中，电气系统所需的电力通常源自12 V蓄电池，在带动一些大型负载（见图1）时通常功耗较大。相比而言，混合动力/电动车（HEV/EV）因为集成了高压电池（通常为144 V 或336 V），将上述辅助系统电源从12 V总线接入高压总线，相同功率情况下能有效降低系统功耗。通常这些辅助系统的功率范围为1～6 kW。另外，利用高压驱动这些系统，可降低驱动电流，从而获得巨大的成本优势（通过减小电缆直径和电动机的铜用量）。

图2  easy module外形封装，其中左为easy 1B，右为easy 2B

几个典型的应用：

1. DC/DC转换器

传统能源汽车ECU低压总线的供电（12 V）来源于汽油发动机带动发电机发电，而在HEV/EV中，因为有高压电池组（144 V或336 V），同时EV中没有发动机，因此通常需要增加一个DC/DC转换器将336 V转换到12 V，给ECU系统及辅助负载供电。根据车型对负载的需求不同，DC/DC转换器的功率范围通常为2～3 kW。

2. 电动机

HEV内部有不少电动机负载，这些2～3 kW的电动机工作在12 V电压下，工作电流通常为50～100 A，需要低压大电流的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），而如果将电动机接在336 V总线上，采用30 A级别的IGBT就能满足系统要求，可大大降低系统损耗。

图3  左起依次为6管全桥模块、H桥模块和空调加热器模块

3. 空调加热器

HEV/EV空调的制热模式不同于传统能源汽车。传统能源汽车利用发动机热源制热，不需要额外的热源，而HEV/EV通常采用IGBT驱动空调加热器制热，增加了额外的损耗。另外，因为需要较大的电流驱动空调，因此对相关驱动器件的散热和保护也有更高的要求。

汽车级小功率模块

针对HEV/EV辅助系统，英飞凌推出了easy module系列汽车级IGBT功率模块，包括两种封装：easy 1B（1～3 kW），easy 2B（1～6 kW），如图2所示。

easy module系列汽车级IGBT功率模块的主要优势如下：提供多种拓扑结构，可以灵活满足包括DC/DC转换器、电动机、空调加热器等多种应用的需求；Press fit工艺大大降低了产品生产时人工成本和失效率；HS3 IGBT芯片能支持100 kHz以上开关频率；汽车级认证及相应的设计保证了产品的可靠性，确保在汽车全寿命范围内IGBT模块安全可靠地工作。

除此之外，easy module内置NTC温度电阻，将更好地检测系统温度，以便及时作出反馈，紧凑的设计拥有极高的功率密度，优化后的端子布局有助于降低高压母排走线难度，并大大降低系统杂散电感。

图4  easy module和PCB通过Press fit连接装配

easy module的技术特点

easy module在技术上具有以下特点：

1.灵活的拓扑结构

在Easy 1B、easy 2B 两种外形封装结构的基础上，easy module通过不同的内部芯片布局和端子引线，可以灵活组合出不同拓扑结构及不同功率等级，服务于多样化的应用需求，有效降低产品成本，同时又可以保证设计的灵活性（见图3）。

（1）IGBT全桥模块

该模块为6管IGBT，内置NTC温度电阻，基于Ecom3 IGBT 技术，可用于三相电动机驱动，例如空调压缩机、油泵、冷却泵和电动助力转向系统。

（2）H桥IGBT模块

该模块基于HS3 高频IGBT的H桥模块，可用于HEV的HV to LV DC/DC转换器及车载充电器，集成4管IGBT H桥，内置NTC温度电阻。

图5  HS3高频IGBT（红色）和标准3代IGBT（紫色）关断波形比较

（3）空调加热器模块

该模块集成2路高边及3路低边开关，用于空调驱动，内置温度电阻。

2.Press fit压接技术

如图4所示，Press fit压接技术允许IGBT模块的功率端子及信号端子与印刷电路板（PCB）的电镀孔进行无焊接连接，通过定义合适的PCB孔径（略小于端子宽度），并控制压接的力矩和行程，经过特殊设计的端子在压接过程中发生变形之后固定于PCB的电镀孔内。这种连接能够满足汽车等级的振动等机械性能，能满足高温度条件下（例如125 ℃）的汽车电子工作环境温度设计标准。

3.HS3 IGBT 高速IGBT

通常IGBT的工作频率被限定在10 ~ 30 kHz内（英飞凌第三代IGBT芯片），但在DC/DC应用中，高开关频率能带来更高的电源转换效率，但需要电力电子器件能够在100 kHz及以上的开关频率工作，超出了三代IGBT芯片的频率范围。对此，英飞凌推出了HS3 IGBT（高速IGBT），优化了开关特性，使其能满足DC/DC快速开关的应用要求。HS3 IGBT还能够更快地关断电流（如图5），而标准3代IGBT在关断时会有较长的拖尾，因此HS3 IGBT 能在更高的频率下工作。另外，对比系统损耗，HS3 IGBT导通损耗略高（2.0 V 较1.6 V略高 ），但有更低的开关损耗（0.34 mJ较0.85 mJ略低），考虑到在DC/DC应用中开关损耗较大，因此HS3 IGBT能大大降低系统损耗，提高效率。

图6  绑定线随电流波动、绑定线失效

4.汽车级可靠性

可靠性是IGBT在汽车应用中的最大挑战，除了电压、电流等常规参数的设计考虑，涉及IGBT可靠性的主要参数还有：温度循环次数和功率循环次数，其共同决定了IGBT的使用寿命，其他参数例如IGBT机械可靠性（振动测试）特性也需要额外的关注。针对这些要求，英飞凌汽车级IGBT模块在设计及验证上做了相应的改进，以满足严苛的参数要求。

（1）功率循环

电流、电压的切换将会引起ΔTj（结温变化），在产品全寿命周期内的结温变化幅度、工作时间及使用工况将共同影响IGBT的寿命。具体而言，IGBT导通电流波动时，绑定线也会随之摆动，对绑定线和IGBT芯片连接可靠性有较大的影响，反复的摆动可能导致绑定线寿命的耗尽，例如绑定线和IGBT芯片焊接脱落、绑定线断裂等，均会导致IGBT的损坏（见图6）。

为了模拟汽车运行工况，针对HEV频繁的加速、减速和巡航带来的电流冲击，英飞凌定义了名为“秒级功率循环（Power Cycling Second电流加热、外部水冷冷却）”的加速老化试验，以模拟验证在电气冲击下，绑定线的焊接可靠性。英飞凌汽车级IGBT需要承受这些条件而不损坏：ΔTj=60 K，最大节温150 ℃，0.5 s < tcycl<5 s，150 kc次功率循环。为了满足产品通过相关汽车级测试，汽车级功率模块相对传统工业模块主要有以下改进：绑定线材料改进、芯片结构加强、绑定线连接回路的优化以及焊接工艺的优化。

（2）温度循环

在HEV中，电力电子器件通常位于前舱靠近发动机，IGBT模块将承受较高的环境温度和温度变化，对IGBT模块内部焊接层有较大影响，原因在于IGBT模块内部是多层不同材料焊接而成的结构，不同材料具有不同的热膨胀系数，其差别会影响功率模块的使用寿命。理论上应该选用热膨胀系数差别尽可能小的材料来进行焊接组合，但这样可能会导致材料成本或加工成本上升。英飞凌通过改进后的Al2O3陶瓷基片技术，在较小幅度增加成本的前提下，同样可以达到HEV热循环次数的要求。英飞凌汽车级IGBT能保证-40 ~ 125 ℃条件下的热冲击试验中，1 000次热冲击后完好无损。

（3）振动测试标准

在HEV中，对IGBT振动要求大大超过普通工业的标准，外壳和端子将承受较大的机械冲击，英飞凌汽车级IGBT可以承受超过50 kN的机械振动和超过300 kN的机械冲击。

（4）可追溯性

英飞凌在汽车级IGBT模块内部DBC上放置了用于追溯的标示，另外在模块外壳也有三维码，可用于产品追溯。