智能功率模块在新能源汽车中的运用和发展_戴斌.pdf

128 AUTO TIMENEW ENERGY AUTOMOBILE|新能源汽车智能功率模块在新能源汽车中的运用和发展1引言车载电机恒温控制技术系统的低温工作要求性能及产品可靠性需考虑到的关键因素之一即应该是控制系统能够实现高温工作。在低于 150的工作结环境温度条件下（Ta）持续工作负载和在超过等于 170的工作结温度下（Tj）工作状态环境下保持的更高工续作的负载能力均将是一个极其和十分的重要的。整个恒温控制系统电路系统在极端的严苛和高温环境中使用过程中产生的极高的操作的可靠性显然这也是控制系统所特别需要所具备的。需要同时所使用焊接的分立电路元件的个数也越多，等问题也是很重要。如上述已有详细的概述所说明出来的，BLDC戴斌法雷奥汽车内部控制（深圳）有限公司广东省深圳市518103摘 要：IPM 是指的一种新型多功能的混合式集成整流电路，它同时能够同时将多个大功率将开关和触发保护元件电路模块和大功率直流驱动电路、保护与滤波电路、检测及隔离滤波电路模块等多个模块集成和串联整合在构成了的同一个整流电路模块组合框架内，这种新型高功率谐波变换型集成的滤波保护电路模块能因此能够特别地适应当前大功率逆变器系统的高频化发展趋势及其后续发展与应用研究方向等领域的广泛应用的需求。目前，IPM开关系统产品一般表现为以大功率IGBT组件等为主要组成基本元素的小功率开关元件，构成覆盖了所有单相直流变频器或所有串联到三相逆变器母线上变频器的任意一组专用的开关功能模块，在当今许多的中小功率工作小容量变频器控制系统应用中均得以较为广泛的得到实际应用。在早期的在全球大多数的工业变频器和控制领域中都能被得到广泛而大量的采用。智能功率模块控制系统除了应该将所有智能功率开关芯片块和所有功率驱动电路模块集成配置连接在一起，而且控制系统同时内部还必须应配套设有包括过电压、过低短路电流、过热功率报警系统等的各种电路故障自动报警的检测输出处理接口电路，并必须负责地将这所有报警检测处理输出接口信号全部直流接送输出给单片机控制 CPU。它正因为本身具有比产品体积变得更短小、功能选择变得多、功耗明显减小、使用更加简单且方便操作灵活可靠等具有许多新优点。本文探讨了智能功率模块在新能源汽车中的应用及技术发展。关键词：IPM新能源汽车车载装置电机Sic 碳化硅The Application and Development of Intelligent Power Modules in New Energy VehiclesDai BinAbstract：IPM refers to a new multi-functional hybrid integrated rectifier circuit,which can simultaneously integrate and series multiple modules such as multiple high-power switching and trigger protection element circuit modules and high-power DC drive circuits,protection and filter circuits,detection and isolation filter circuit modules in the same rectifier circuit module combination framework.This new high-power harmonic conversion integrated filter protection circuit module can therefore be specially adapted to the current high-frequency development trend of high-power inverter system and its subsequent development and application research direction.At present,IPM switching system products are generally manifested as low-power switching components with high-power IGBT components as the main components,which constitute any set of dedicated switching function modules covering all single-phase DC inverters or all inverters connected in series to three-phase inverter bus frequency converters,and are widely used in many small and medium-power working low-capacity inverter control system applications.In the early days,it was widely and massively adopted in most industrial drives and control fields around the world.In addition to connecting all intelligent power switch chip blocks and all power drive circuit module integrated configurations,the intelligent power module control system must also be equipped with various circuit fault detection output processing interface circuits including overvoltage,too low short-circuit current,overheating power alarm system,etc.,and must be responsible for all alarm detection and processing output interface signals all DC transfer output to the single-chip microcomputer control CPU.It has many new advantages such as shorter than the product,more function options,significantly reduced power consumption,simpler to use,and convenient operation,flexible and reliable.This paper discusses the application and technology development of intelligent power modules in new energy vehicles.Key words：IPM,new energy vehicles,on-board devices,motors,SiC carbideAUTO TIME 129 NEW ENERGY AUTOMOBILE|新能源汽车 时代汽车电机技术尽管可在达到最高运行能效、可持续维护性、使用的时间比较短性和可操作及安全性方面均显著上优于其它一般的有无刷式电机，但它们却随时也很可能伴随有自身结构本身更庞大笨拙重复杂设计和设备投入及更复杂昂贵和高维护运行管理成本等带来的其他潜在的缺点而存在着（因为 BLDC 电机包含外部控制电路，需要更大的安装空间）缺点。因此，在要保证系统要保证能有效充分利用现有的 BLDC 电机优势系统的优良性能的同时又在确保系统要尽可能有效的减小整个电机系统设备的总有效几何尺寸面积和有效结构重量、降低设计成本、增强电机工作系统可靠性、减少系统设备的发热、降低设备工作噪声时就仍必然存在的诸多挑战。2IPM 的主要特点2.1驱动电路在每套 IPM 内部都事先设置制作好集成了另外一套更高性能更加可靠耐用的驱动电路，具有了当系统出现驱动电路故障或报警情况后自动切断软硬接关机烧熔断 IGBT 元件供电回路的多种特殊控制功能，同时，由于系统内部整体结构设计十分合理紧凑，驱动电路与输出 IGBT 元件之间的短路距离一直都会极短，抗谐波干扰与保护短路能力相对更的强，输出端间的短路阻抗的损耗一般又是会是很高的很低，不需要再另外多加任何一个反偏置电压，简化了整个驱动电路电源，仅只需提供包含了具有 1 组带上下桥臂供电模块的独立公共电源模块和一个具有了 3组带上下桥臂电源模块的独立“浮地”电源。2.2欠电压保护每个驱动电路单元都应该具有欠载电压保护（UV）的保护功能。无论因为什么其他原因，只要驱动电路电源电压值 Ucc 值低于欠限电压阀值的 Uuv 时间超过等于 10ms，IPM 继电器就会立即关或断，同时会输出这样一个电路故障的报警输出信号。3智能模块在汽车中的应用通常有下列两种可用于电源模块基板制造的材料。这些材料都应该是适用于制造大功率电器的陶瓷铝基材料和其他金属铜基的材料（如铝）。由于大陶瓷基板器件通常要与其它大尺寸金属片材之间紧紧相连固定着的（如铜和铝）所以，大型的瓷基板器件本身的表面的加工技术也是相对十分复杂困难的并将会产生有所的设计局限性，而通过集成设计便已可实现完全地实现。金属基绝缘金属瓷基板表面集成化制造技术系统（IMST）就已发展成为了唯一有效解决了以上这最后一类实际问题的其中一种方法。IMST 集成技术是作为一种用于减小器件封装单元尺寸范围和增加元件重量范围等的另外又一种相对比较灵活有效的方法。MST 结构是一种通过使用绝缘层材料来覆盖铜铝片，将一层铜箔纸置于顶层，并同时可以直接在这一层的铜箔纸基材上进行蚀刻，使整个单层的布线以及图案等都更能更加轻易地被设计者的自由设计而定制。铝线用作晶体管或 IC/LSI 裸芯片和铜箔图案之间的电性连接（即超声波粘合）。较厚的铜箔图案用于大电流应用，较薄的图案用于小电流。铝线的直径基于流经的额定电流和使用这些导线的目的（例如是用作跳线还是接地线）。当低热电阻优先时绝缘层做得更薄一些，当高压重要时绝缘层做得更厚一些。因为基板是铝，导热性和导电性本质上是很高的。这支持处理大量电力，并提供电磁屏蔽效用。图1拆解图片散热片焊料镀镍导电料绝缘金属基板(IMST)绝缘层铜箔图形输出引脚完整的成型封装接地线引线键合大规模集成电路小信号日体管（裸芯片）片式电容/电阻细铝引线键合粗铝引线链合功率晶体管（裸芯片）焊料一般的 IPM 贴装其组成元件到单独的电路板，由于这结构是点和线互联的框架，无法在这框架内实现多个功能。但是使用IMST结构，电路搭建在电路板上，可轻易实现多个功能。关于电源模块或 IPM，许多功率半导体厂商生产相应的目标应用的产品，功率MOSFET/贴装的分立元件数或基础线路板不是一律固定不变的。用于车载系统的 3相 BLDC 电机方案的比较为减少车载 3 相BLDC 电机的系统成本，可使用无位置检测传感器型（简称无传感器型）。一般安装一个功率 MOSFETE 和一个带微控制器的预驱动器 IC，BLDC 电机由软件控制。通常平均有 170 个元件贴装在印制线路板上。为替代这种情况，使用一个高度集成的 IPM、一个使用功率 MOSFET 的专用控制器、预驱动器和硬逻辑器件，与自保护功能（防短路、过流、控制电源压降和过热）一起可集成到一个模块中，从而成为一个独立的单元。有关噪声可被降低。而且由于无需软件来驱动电机，可缩短设计周期。系统可靠性也显著提升。一般情况下，3 相 BLDC 电机比有刷电机更贵。它们也占用更多空间和更重。高密度 IPM 采用 IMST，节省空间，系统成本也随之降低。例如，安森美半导体的独立无传感器式电机控制IPM如下图所示（参见图4），图2IMST和典型的IPM结构比较电路搭建在紧凑的“平面”电路布局在独立的板上（“点与线”）典型的 IPM 的结构采用 IMST 技术的 IPM(智能功率模块)图3BLDC电机驱动器架构IPM 方案电机控制定序器预驱动器电机LDOLIN功率 FET分立方案需要软件电机反电动势(BEMF)检测微控制单元(MCU)低压降稳压器(LDO)LIN 收发器功率 FET门极驱动器130 AUTO TIMENEW ENERGY AUTOMOBILE|新能源汽车包括无传感器位置检测逻辑和电机控制IC（序列）、6 个功率 MOSFET 和外围元件。它直接对带同步整流的 PWM 控制器作出响应。图4独立的无传感器式电机控制IPM框图电池1/F电机控制序列预驱动器保护电源位置检测（无传感器）/VN主控制单元(ECU)电机在这特别的 IPM 示例中，元件数已从通常所需的 170 个以实现分立结构减至只需 5个。这是因为通过使用 IMST 能集成各种不同的元件。因此，贴装重量可减少 60%，占板面积减少 85%。当使用这 IPM 时，不再需要印制基板（支持实现无 PCB），IPM 可置于电机占用面积范围内。基于 IMST 的 IPM 的其它好处我们注意到基于 IMST 的 IPM 的第一大额外好处是它们提供高精度温度检测。对于分立元件，由于功率晶体管封装和温度检测电路封装相距甚远，导致温度检测时间延迟。使用基于IMST 的 IPM，由于功率晶体管、提供温度检测信号的温度控制测量电路和过热保护检测电路也可直接贴地装配在同一板块上。因此在温度的检测系统中将最大限度地减小测量误差，从而就可真正实现了高精度测量电路工作，见图 5。基于 IMST 的 IPM 的第二大好处是降低噪声。因为降低电机噪声是车载系统的一个重要方面，设计工程师需要尽可能降低噪声。EMI 噪声构成设计阶段的一个主要问题。使用了一个基于 IMST 的 IPM，在金属基板片上的铝片层和铝铜箔层之间有了一个分布式的电容通过绝缘树脂。这还可通过有效地显著程度地来降低功率器件系统内部的开关噪声。此外，由于可减小 IMST 基板上布线和引线键合的寄生电感，通过抑制在开关状态转换期间当高压大电流器件硬开关时产生的高压浪涌，可降低噪声。第三大好处在于基于金属的设计的出色的散热性能。此属性取决于绝缘材料和绝缘层的厚度。较薄的绝缘层可减小热阻抗。图 6显示在多个绝缘金属基板上的绝缘层厚度和热阻抗值之间的关系。图6热阻抗图21.510.50050100150200250VBE测量：铜所占面积：1010mm散热器：2.5mmt热阻抗（*cm）绝缘层厚度（m）O 公司 IMSTB 公司 IMSTA 公司 IMST4碳化硅在新能源汽车上的应用里程和充电时间仍然是制约电动汽车发展的重要因素。智能化、轻量化和集成化将是电动汽车未来的发展趋势，碳化硅器件将成为加速电动汽车发展的重要助力，碳化硅在新能源汽车中的应用如下。4.1功率交换器使用宽带隙器件可以提高功率转换器在高温下的可靠性，减少散热系统的体积。传统的硅基变流器损耗大，对冷却系统要求高在电动汽车中，发动机部分需要冷却系统将其温度保持在 105，而功率变流器部分需要冷却系统将其温度保持在 70左右。为了使这两部分正常工作，必须采用两套冷却系统来满足不同的要求。这大大增加了电动汽车冷却系统的体积。SiC 功率器件的结温达到 361。因此，由宽带隙器件组成的功率变换器可以在较高的环境温度下正常工作，并可以将发动机冷却系统与功率变换器系统结合起来，大大减小功率变换器的体积4.2蓄电池充电器蓄电池充电器是电动汽车的重要组成部分，它主要由 PFC 变换器组成，PFC 变换器由ACDC变换器和DCDC变换器组成。PFC 变换器的工作频率决定了输出滤波电感和电容的纹波电压和纹波电流。通过使用大体积的电感和电容器，可以显著降低电感和电容器的工作频率，从而提高电感和电容器的工作可靠性。无源元件体积的减小意味着整个变流器体积的减小和功率密度的提高4.3电机驱动器电动汽车主电机的驱动器拓扑有多种，其中最常用的是两电平三相电压源逆变器。根据研究，使用 SiC 器件可以显著降低损耗。其中，由 SiC BJT 构成的逆变器损耗降低了53%；当频率增加时，损耗将进一步降低。当开关频率为 15kHz 时，SiC BJT 逆变器的损耗降低了 67%。参考文献：1 刘虹.IPM 在电力机车大功率开关电源中的应用J.现代电子技术，2010，20（331）：169-170.2 徐长军，张宏权.IPM智能率模块的设计与分析J.世界电子元器件，2008，9（3）：82-84.3 黄友锐，魏庆农，周绩贤等，智能功率模块 PM25RSB120 在变频调速中的应用 J.仪表技术与传感器，2000（1）：3132.4 胡兴柳，基于 DSP 的 SPWM 变频电源数字控制 J.电源技术应用，2006，9（7）：58.图5温度检测温度检测晶体管裸片功率晶体管裸片功率晶体管封装温度检测晶体管封装散热片散热片散热片硅脂硅脂硅脂温度检测温度检测延迟时间短高性能检测延迟时间长低性能检测不可靠的热保护分立方案距离检测误差距离检测误差近大近小可靠的热保护IMST