IGBT模块封装及车用变流器设计与验证

IGBT模块封装及车用变流器设计与验证中国科学院电工研究所电动汽车技术研究发展中心孔亮中科院电动汽车研究中心成立于1997年，从“九五”以来，承担了20余项国家、院、北京市和企业委托的电动汽车车用电机驱动系统等科技攻关课题，是国内重要电动汽车电气系统研发团队。中心拥有国内一流的电动汽车车用电气系统研发条件，包括电子电路实验室、环境试验室和动/静态功率试验台等。电工所电动汽车驱动技术研究发展中心Time0s0.5ms1.0ms1.5ms2.0msV(L10:2,U6:2)-100V0V100V200V高功率密度的驱动控制器技术EXPERIMENT进出水口压差比较02468101214160.40.60.811.2流量(m3/h)压差(kpa)P3-P2(kpa)实验值P3-P2(kpa)计算值80kWmotor，6L，7kg掌握电力电子与温度场设计关键技术三维CAD设计技术功率循环和冷却实验电机温度场分析与设计机械强度分析3DCAD车用永磁电机设计技术电机电磁场分析与设计电机:digitalvectorcontrolledIM最高车速:114km/h里程:260km（50km/hcruise）电机功率:18kw/50kw车重:1575kg（No-load）1850kg（fullload）国家攻关项目(2000年)“九五”电机驱动主要工作中国第一台燃料电池轻型客车(2001年)能源:PEMFC+LAWith30KWDC/DCconverter电机:27kWIMdrivesystem最高车速:60.2km/h尺寸:7025mm2225mm2750mm重量:5420kg（Noload）5928kg（Fullload）“九五”电机驱动主要工作将全数字交流异步电机系统技术应用于奥运示范公交车运行121线纯电动大客车公交示范运营(2005.6-至今)满载重量-约17吨最高车速-80Km/h；续驶能力-150/200Km“十五”以来电机驱动的主要进展北汽合作“EVT深度混合动力陆霸SUV汽车”具有原始创新性•基于双机械端口电机的电力无级调速系统利用双机械端口电机的两个机械自由度和两个电端口的控制，实现无级调速，实现内燃机工况的最优化，是具有原始创新的技术，打破国外技术垄断。•攻克了电机设计与控制、内转子冷却、内外电机解耦等核心问题。整车动力性测试实验结果100km/h加速时间28.99s最高车速122.5km/h爬坡实验30%标准坡道EVT混合动力汽车动力性能测试结果基于双机械端口电机的深度混合动力“十五”以来电机驱动的主要进展研究需求电机设计与分析—Maxwell、Ansys多物理场•高功率密度永磁电机•新型电机•电磁分析、机械、散热控制算法研究•车用电机控制算法研究车用电机控制器—Maxwell、Q3d、Simplorer、HSFF•高功率密度车用控制器开发•机械、散热、电磁、系统建模IGBT模块封装技术•封装设计•可靠性研究•IPM模块建立IGBT综合测试平台为客户提供权威的IGBT模块第三方测评服务基于此测试平台进行关键工艺技术的研究开展针对特定行业的IGBT测试技术、测试标准研究IGBT第三方检测中心中科院电工所申请电驱动系统大功率电力电子器件封装技术北京市工程实验室得到批复，将以关键工艺研发、可靠性检测和封装设计为研究目标，建立：国家级高压大功率IGBT模块产品检测中心、高压大功率电力电子器件封装技术平台和高压大功率电力电子模块应用技术平台。国家重大科技专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”（“02专项”）“高压IGBT模块产品测试与考核公共平台建设”。平台：电气性能测试实验室；可靠性测试实验室。科研工作：高压大功率电力电子模块产品质量检测与服务高压大功率电力电子模块产品检测中心全面建成后的电气性能测试实验室将基本具备覆盖全电压范围、全电流范围的IGBT全参数测试能力。静态参数（最高电压7000V/最大电流4000A）动态参数（最高电压4500V/最大电流4000A）杂散参数雪崩耐量稳态热阻绝缘测试电磁辐射全面建成后的可靠性测试实验室将全面满足GB/T、GJB以及MILSTD、IEC、DIN等国际标准中对半导体器件可靠性测试的要求。气候环境测试寿命老化测试机械环境测试动静态参数测试仪热阻测试仪雪崩能量测试仪耐压测试仪温度冲击试验箱三综合试验箱振动测试仪功率循环测试仪门极反偏测试仪栅极反偏测试仪高温高湿反偏测试仪红外热像仪云纹测试仪X-RayCT超声波扫描电镜精密LCR表机械冲击试验箱温度循环试验箱可靠性测试失效分析特性参数测试IGBT模块封装IGBT模块封装设计仿真需求IGBT模块封装设计1.电气特性设计多芯片均流设计杂散电感计算EMI/EMC设计2.热特性设计温度分布和最高结温3.机械特性设计热应力耐冲击电特性热特性机械特性损耗结温均流杂散参数EMIEMC芯片模型基于simplorerFF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证转移特性仿真电路伏安特性仿真电路，Vge=15VVgeDatasheet仿真模型Value（Vce=2V）Value（Vce=3V）Error（%）201000A980A0.2%15800A800A0.0%12700A680A0.28%10580A520A10.3%基于simplorerFF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证直流电源Vd200V线路杂散电感1L=130nH线路杂散电感3L=120nHC=3300uF电解电容20nH1nF门级杂散电容射极引线电感L=30nHL=20nH线路杂散电感2门级驱动电阻1.2ohm驱动电压15V0Lc1射极杂散电感L=30nH负载电阻R=0.4ohm负载电感L=0.45mHLc2C=3300uFVceIc负载电阻负载电感驱动电压Vgs开关频率fs占空比实验175V170A0.4Ω0.45mH+17V，-13V833HZ93%实验2200V400A0.4Ω0.45mH+17V，-13V833HZ93%基于simplorerFF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证-2024681012x10-6-50050100150200250Time（s）Turnonwaveform:75V/170AVce-testVce-simuIc-testIc-simu开通波形（75V/170A）00.20.40.60.811.2x10-5-1000100200300400500600Time（s）Turnonwaveform:200V/400AVce-testVce-simuIc-testIc-simu开通波形（200V/400A）00.20.40.60.811.2x10-5-15-10-505101520Time（s）TurnonwaveformVge:75V/170AVge-testVge-simu00.20.40.60.811.2x10-5-15-10-505101520Time（s）TurnonwaveformVge:200V/400AVge-testVge-simu开通门极电压Vge波形（75V/170A）开通门极电压Vge波形（200V/400A）基于simplorerFF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证-10123456x10-6-50050100150200250Time（s）Turnoffwaveform:75V/170AVce-testVce-simuIc-testIc-simu00.20.40.60.811.2x10-5-1000100200300400500Time（s）Turnoffwaveform:200V/400AVce-testVce-simuIc-testIc-simu关断波形（75V/170A）基于simplorerFF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证关断波形（200V/400A）0123456x10-6-15-10-505101520Time（s）TurnoffwaveformVge:75V/170AVge-testVge-simu-2024681012x10-6-20-15-10-505101520Time（s）TurnoffwaveformVge:200V/400AVge-testVge-simu基于simplorerFF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证关断门极电压Vge波形（75V/170A）关断门极电压Vge波形（200V/400A）IGBT模块热分析及热阻计算底面0℃，芯片发热损耗功率为30/50/50WANSYS静态热分析00.511.522.533.502468101214与恒温面间的距离d（mm）与恒温面之间的温差T（℃）OABCDE-5-4-3-2-10123451010.51111.51212.513X方向与IGBT中心点的相对值：x-IGBTcenter(x)（mm）与恒温面之间的温差T（℃）IGBT静态热特性分析IGBT模块热分析及热阻计算IGBT瞬态热特性分析11.0051.011.0151.021.0251.031.0351.041.0451.050510152025303540time（ms）PowerLoss(kW）IGBT模块开关损耗00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2-20020406080100120140time（s）PowerLoss（W）IGBT模块热分析及热阻计算基于Ansys建立模块四分之一结构的热电耦合模型瓶颈：芯片等效电阻随控制电压变化。采用变化的电流激励；根据损耗实验值对芯片电阻率进行等效。IGBT模块热分析及热阻计算整体温度分布芯片温度分布铝丝电流分布整体电流分布最高温度点发生变化热电耦合瞬态分析仿真结果IGBT模块热分析及热阻计算电热耦合和独立热仿真的差别：原因-5-4-3-2-101234599.51010.51111.51212.51313.514Y方向与FRED中心点的相对值：y-FREDcenter(y)（mm）与恒温面之间的温差T（℃）IEE400A600V在ANSYS中热电仿真和热仿真结果对比FRED-YANSYS热电仿真ANSYS热仿真IGBT热分析及热阻计算00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.20246810121416time（s）Temperature（℃）IGBT热仿真瞬态和静态结果对比瞬态仿真瞬态仿真平均值静态仿真芯片结温对比IGBT芯片结温直接影响芯片电气特性和模块的安全运行，因此结壳温差是热仿真中最关键分析点之一。根据不同研究目标，可采用不同的仿真方法。10-310-210-110010-210-1ZthJC[K/W]t[s]ThermalimpedancecurveofIGBTchiptocasein400A600VIGBTmodulei1234Ri[K/kW]55.330.141229.67τi[ms]31.051.44812.3442.89/1()(1)intthJCiiZtReAnalyticalfunctionfortransientthermalimpedance:IGBT模块热分析及热阻计算根据瞬态温升结果，得到模块结壳热阻抗如左图所示。IGBT芯片均流分析多芯片IGBT封装中影响因素模块杂散电感芯片电气参数一致性分析方法：采用集总电路法，采用IGBT芯片级模型，校验各芯片在开通与关断时的电流暂态变化Q3dIGBT芯片均流分析0+VVM1R3L1L2IGBT2FRD1IGBT1IGBT4FRD2IGBT3IGBT7FRD4IGBT8IGBT6FRD3IGBT5pageport_0pageport_0pageport_0等效电路图采用IGBT与二极管芯片等效电路模型0E1Box42:frd1_pBox42:frd2_pBox42:igbt1_eBox42:igbt2_eBox42:igbt3_eBox42:i