受控的大电流─紧凑型汽车动力系统

[page]    所有的SKAI2模块，全部使用如高加速寿命测试（HALT）和组件寿命终止试验之类的分析来进行完整鉴定，在设计周期的各个关键点进行完全失效模式效应分析研究，以确保它们符合相关的汽车标准。功率半导体的热接触和电接触采用了压接技术，该技术能够延长使用寿命且具有高负载循环能力。系统和半导体组件都是在高科技生产工艺下制造的，包括下线功能测试。如果需要，会进行100％的老化测试，以确保产品的高品质。

    3 新颖的技术

    影响功率系统效率和可靠性的因素有很多。为了实现能量、成本和空间效率的最大化，以及高可靠性，在设计和制造功率系统的过程中，将最好的硅元件、封装、布局、热性能以及控制结合起来是重要的。如果设计者依靠现成的组件，这通常是困难的。能够优化硅元件的选择并能够为系统的最优性能将其连接起来是重要的。

    许多系统供应商关注单一的技术，如MOSFET或IGBT，或可能专注于单一电压应用。然而，现今系统需求的很大差异，使得能够从最广泛的半导体技术中选出一个最适合应用的技术是很重要的。此外，在设计过程中还必须考虑到许多取决于半导体技术的问题以及它们之间的关系，以确保硬件为应用而进行了优化，这一点也是重要的。由于赛米控是功率半导体的主要制造商，它可以超越一些领域的界限，如温度和尺寸大小。例如，公司生产的IGBT和MOSFET驱动器产量非常大，并由此开发了优化过的专用集成电路（ASIC），大大减少了元件的数量，提高了可靠性，同时显著减小了尺寸。

    当前的电力电子发展目标是实现更高的电流密度、系统集成度和更高的可靠性。同时，要求低成本、标准化接口以及灵活的模块化系列产品的呼声也越来越多。赛米控通过使用在辅助和负载连接方面使用弹簧触点而引领了潮流。

    经典模块设计的可靠性，对于许多开发中的电力电子应用来说是不够的。例如，这些模块都受限于其承受被动温度循环的能力。因此，必须开发能够适应现代应用高可靠性要求的新技术。

    功率模块寿命的一个主要限制是焊锡疲劳的问题。在传统的结构中，这是功率模块使用寿命终结的一个原因，特别是在较高的温度波动下，这在大多数应用中是很突出的。已开发出几种新技术来消除所有焊锡层。与传统结构相比，每种技术都提供一个小的优势，但结合在一起，带来了巨大的效益。

    由更高的温度和更宽的温度变动幅度导致的最显著问题是焊层的脱落。在最新的SKAI系统中，通过使用烧结技术而非焊接来将半导体芯片与陶瓷基板相连，此问题已得到彻底解决。这意味着更高的运行温度和更高的可靠性会成为可能。烧结键合是一个薄银层，与焊点相比具有优越的热阻，空洞很少也很小。它不受制于影响焊点的脱落现象，从而热阻小，几万次功率循环后仍旧保持小阻值。银的高熔点还可以防止过早的材料疲劳。

  [page]  结温升高所带来的另一个问题，是用与连接芯片和基板的键合线疲劳。通过一些生产技术的改变，包括改变了焊接接头的几何外形以及引进新的应力消除技术，这一影响已被最小化。

    SKAI2系统可选控制软件。如果需要，赛米控将与客户合作开发软件，或者客户可能更愿意使用自己的软件。这使客户具有更多的多样性，并且具有根据自己的自定义功能来生产系统的能力。

    4  拖拉机应用中的SKAI 2系统

    该系统集成在拖拉机中。一个应用实例介绍如下。

    一家拖拉机制造商正为其大功率拖拉机开发电源系统，目的是减少燃料消耗和噪音排放。开发的目的还在于提出农业机械中额外电气传动应用所需的架构。这项开发也形成了未来农业机械中电气传动应用所需的技术架构。新电源系统的核心是来自赛米控的高度集成多转换器系统。

    到目前为止，拖拉机的次级设备是通过齿轮机械式地连接到主驱动器上。这种机械连接无法使这些功能运行在最佳的工作点上。这将导致糟糕的整体效率，从而增加燃油消耗和污染物的排放量。因此，我们的目标是从主驱动器上断开次级设备。为达此目的，一个与主驱动器相连的、经过修改的发电机产生电力。这种能量转化为电能，确保风扇、空气压缩机、空调设备和14V机载电源的最佳运行。

    为了满足客户的规格要求，从多逆变器系列开发了一个高度集成电力电子系统。该系统包括用于在恶劣环境条件下控制电流的多个逆变器。可能有不同的操作模式，例如：该系统可由一台三相发电机或HVDC总线方式供电。系统通过CAN总线与车辆的主控制器通讯。集成的半导体组件来自赛米控久经考验的MiniSKiiP 系列（第2代）。模拟和数字信号I/O接口允许连接各种各样的传感器，如：温度传感器、旋变信号输入等。

    新的电源系统，是推出用于附属设备和拖车设备的超高精度、高效电力驱动以及最终驱动系统的基础。不同技术亮点综合的结果，是燃料消耗非常低、减少了噪音排放，并确保满足未来的排放限制。为了提高整体效率，所有的电力传动部件全部被开发或优化。总之，这构成了通往实现超低排放、大功率拖拉机道路上的一块里程碑，这种拖拉机通常是高能耗的。

    5  集成功率系统

    驱动器在实现功率系统的更高集成度方面已经取得了许多进展。然而，在可靠性、效率、尺寸和多样性方面仍需进一步发展，以提升集成功率系统的市场接受程度。通过在一个部门提供系统级的专业知识，赛米控公司的系统部门十分适合开发集成度更高的产品、增强的冷却技术、更高的芯片运行温度以及由ASIC和新型封装技术所带来的更高性能。新的绝缘系统，新的硅片贴装方法，最终完全去除键合线，都将进一步提高效率和可靠性。

    作者简介

    Paul Newman先生在英国的布鲁内尔大学主修电气电子工程专业，于1988年获得荣誉学士学位。拥有在英国研究、开发和产品管理的经验，并曾是欧洲一家驱动器公司的项目开发经理。1990年加入了赛米控英国公司的技术销售部门，并由2001年起担任董事总经理。■