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2021年01月20日

功率模块的发展可以满足汽车工业的需求

汽车工业需要新一代的功率模块以满足他们的要求。功率模块生产商已经做好准备面对这一挑战了吗?

汽车上的电力电子设备

任何怀疑内燃机将从汽车上消失这一不可避免结局的人士都应要细思考虑一下内燃机低下的效率。在内燃机一个完整的工作周期中所产生的全部能量只有约25%被用于去驱动汽车或其它附属设备。大部分能量作为热能被白白浪费了。与此形成对比的是,电机及其驱动器能够将电池中存储的能量以75%-92%的效率转化为有用功。这就是为什么有一些专家预言“内燃机到了终结的时代”的原因之一。当然还有其它的一些原因,如汽车排放的尾气造成的污染和不可再生能源等等。

直到十多年前,汽车上的大多数电气负载都是由如排风扇、娱乐系统、灯光等汽车辅件构成。近年来电气负载已经包括如防锁制动、多计算机系统、多功能显示系统、HID灯光系统以及电子打火等负载。但是,为了代替机械连接或提高低速时内燃机的效率,在汽车设计中已经引入了重要的电气马达,这对于新一代汽车来说它的电能需求将出现量的飞跃。目前全球市场对混合电动汽车的需求有一个强劲的增长,因为这种汽车能够将电机的输出和内燃机的输出结合起来以提高燃料的使用效率。如果我们用超前的眼光来看待混合电动汽车以及将来完全依靠电能运行的氢燃料电池汽车,很明显汽车对电源的需求将会持续增长。

图2 随着混合电动汽车需求的增长,汽车对电能的需求也将飞跃上升

不出所料,功率电子器件在汽车上得到大规模的应用,从而为功率模块生产商提供了一个大量制造模块的机会,使模块将在一个简单的封装里集成很多元器件以及功能,并使模块能够很容易地被集成到大多数的汽车子系统中去。当然,对汽车生产商和功率模块生产商来说,这既是机会也是挑战。汽车生产商需要培养他们的电力电子知识并和功率模块生产商协同工作,而功率模块生产商需要理解汽车对电力电子设备的应用需求,并开发新的生产工艺以满足汽车市场对电子设备在体积、质量和成本方面的需求。

汽车市场的挑战

汽车对功率模块的需求可大致划分为两大类——技术需求和经济性需求。技术性指标指功率模块满足汽车在电气性能、环境限制、体积以及重量方面的要求。而混合电动汽车对功率模块最重要以及最赋挑战性的一个技术指标就是在不降低模块性能或缩减模块寿命的情况下让其在冷却进风口温度为225ºC的情况下正常运行。因此,如果能扩大模块运行的温度范围,就会减轻设计者为模块提供单独制冷回路的负担。

经济性指标包括生产商在不降低质量、可靠性以及性能的情况下以较低的成本进行大批量生产功率模块的能力。如今在电气元件故障是造成汽车问题的主要原因的情况下,功率电路则是混合动力汽车的最关键部件,所以很容易理解功率模块的质量和经济性指标比技术性指标更种要的原因。

图2 汽车生产商对功率模块生产商的需求列表

传统而言,大多数功率模块生产商一直是驱动器生产商的元器件供应商,功率模块的市场主要集中在工业电机驱动器和电源上。因此如今的很多驱动器能够满足汽车市场对功率模块电气性能的要求,但是不能满足汽车严酷的运行环境的要求。而能够满足汽车环境标准的驱动器通常都是军品或航空级产品,但不能满足汽车对功率模块的成本要求。因此汽车市场迫切需求新一代的功率模块,希望它们能够在性能、功率体积比、坚固耐用、质量、可生产性以及价格之间找到适当的平衡点。

迎接挑战

第一个在技术指标和经济性指标之间找到合适的平衡点的产品来自于赛米控的第一代“汽车功率模块”。SKAI模块在单一的封装里集成了驱动电机所必须的所有硬件,从它上面我们可以看出功率模块未来的大致雏形。

图3 基于622V IGBT的262kW液冷SKAI功率模块

SKAI模块集成了基于IGBT的功率单元、液冷或风冷散热器、门极驱动电路、DSP控制器、多个传感器以及各种保护电路,它为汽车市场提供了一个现成的解决方案。SKAI全系列产品都是在满足QS9222标准的生产线上制造的,而且其设计时的工作温度范围就是从-42ºC 到85ºC的。进口的温度上限是72ºC,如果温度更高,则需要降额使用。

图4 SKAI功率模块的横截面视图

SKAI功率模块的核心部分是六个IGBT构成的功率单元,它由三个半桥焊接到氮化铝陶瓷基板上组成。每个DBC上面有十二

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