世界上最紧凑的电力驱动——汽车电源逆变器_德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会-北京代表处

世界上最紧凑的电力驱动

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是在电压大于400V的中等功率范围内应用的最重要的半导体功率器件。为了提高其在开关和通态性能方面的效率，弗劳恩霍夫硅技术研究所（ISIT）正专注于开发超薄场截止IGBT，并开发相应的先进装配技术。

为此我们开展了灯塔项目ATEM-InMOVE，该项目由学术界和工业界的伙伴合作完成，其中一部分是由参与公司研究设计适用于高速模块化分布式电力驱动的技术，其在电子机械方面具有高功率密度。
在InMOVE项目中，我们的合作伙伴面临着提升电力驱动紧凑度的挑战。所以弗劳恩霍夫硅技术研究所（ISIT）的科学家们主要致力于优化IGBT和变频器的功率模块。

项目成员：

· 大众公司

· Danfoss Silicon Power公司

· Vishay Siliconix Itzehoe公司

· FTCAP公司

· Reese + Thies工业电子有限公司

· 弗劳恩霍夫硅技术研究所ISIT

· 基尔应用科技大学机电一体化和电力工程研究所

目标与挑战

· “集成电驱动系统应该像螺丝钉一样，小、经济、可靠。”

· 将电动汽车的驱动力分布在多个紧凑型电驱动模块中

· 可扩展的电力驱动力

· 使用相同组件的可变驱动架构

· 电驱动模块由带有集成变频器的精简的高速电机组成

· 降低电驱动组件的开发成本

· 使电力电子元件的设计更紧凑

· 应用电力电子技术实现整体机电一体化

解决方案

驱动逆变器的系统模型

· 在福斯特网络使用实现半桥模块的热行为

· 最大负载时允许的组件温度。TJ,max = 175°C

· 寿命：驱动周期8875秒

· 温度范围：最小2°C，最大60°C

· 预计使用寿命（直到出现故障的生命周期）。驾驶距离为45万公里

· 使用 Danfoss Bond Buffer技术DBB®，使用寿命延长10-15倍

· 由于采用了ISIT/Vishay的IGBT，整体效率和性能得到提高

芯片布局、掩膜设置和特殊工艺

· 用无电解镍/金层对芯片正面进行金属化处理

· 应用载体工艺进行薄硅的背面加工（50µm至150µm）。

· 通过植入和激光退火进行背面加工(l =515 nm)

· 用Ti/Ni/Ag对芯片背面进行金属化处理

IGBT-制造

· 在三个学习周期内开发和生产三种版本的IGBT

· 修改现有的标准IGBT结构（STD-IGBT），以实现具有5微米（IEP5）和4微米（IEP4）单元间距的注入式增强器件。

· 通过特殊的激光辅助匹配p/n结掺杂的背面p+发射器和场截止层，对器件性能进行迭代调整。

基于对将要开发的模块化转换器的系统模拟，我们确定了对1200 V / 200 A场截止沟槽式IGBT的要求。IGBT应该能够在13.5kHz下工作，并且在Tj,max=175°C下具有尽可能低的开关损耗。下图显示了由Vishay和Fraunhofer ISIT开发的以金/镍为栅极和发射极连接面的IGBT。