用于電動(dòng)和混合動(dòng)力交通工具的功率模塊

1  引言

    對(duì)減少二氧化碳排放的急迫呼吁已使主要的汽車制造商致力于開(kāi)發(fā)新的電動(dòng)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)交通工具解決方案。為了給這些應(yīng)用開(kāi)發(fā)功率半導(dǎo)體模塊，需要新的模塊集成和封裝解決方案。然而，只有選擇正確的組件、開(kāi)發(fā)具有創(chuàng)新性的方案和技術(shù)并對(duì)熱和電氣特性進(jìn)行優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)相互沖突的需求，即低成本下最大功率密度、效率和可靠性。

    SKiM®功率模塊系列（Semikron integrated Module，賽米控集成模塊）是賽米控推出的最新一代超小型，采用無(wú)基板壓接觸點(diǎn)的模塊。用于絕緣的陶瓷基板DCB不是焊接到銅基板上的，而是通過(guò)壓力連接到散熱片上，確保了出色的熱循環(huán)能力和低的熱阻。壓力點(diǎn)在每個(gè)芯片的旁邊，保證了DCB被均勻地連接。無(wú)基板圖1顯示了模塊外殼的交叉部分，壓力觸點(diǎn)系統(tǒng)和用于連接?xùn)艠O的彈簧觸點(diǎn)。

 
圖1 SKiM®模塊滿足電動(dòng)和混合動(dòng)力交通工具逆變器的需求

    電路是一個(gè)3相逆變器電路。每個(gè)半橋有自己的直流連接和溫度傳感器。IGBT的柵極連接采用彈簧觸點(diǎn)。柵極驅(qū)動(dòng)器的印刷電路板不是焊到模塊上，而是用螺絲擰在模塊上。即使是在強(qiáng)烈的熱循環(huán)和振動(dòng)情況下，彈簧觸點(diǎn)也確保可靠的連接。

    該組件為輸出功率在30kW至150kW之間的逆變器而設(shè)計(jì)，具體適用于多大功率，取決于運(yùn)行和冷卻條件。表1列出了組件參數(shù)和典型電力逆變器輸出電流。

表1:主模塊參數(shù)

2  母線的設(shè)計(jì)

    一個(gè)優(yōu)秀且可靠的模塊解決方案取決于內(nèi)部負(fù)載連接設(shè)計(jì)（圖2）。負(fù)載連接在模塊內(nèi)執(zhí)行各種任務(wù)，并按照不同任務(wù)的要求進(jìn)行了優(yōu)化：

    (1)主端子和芯片之間的無(wú)焊接、低電感連接；
    (2)適用于大逆變電流的大電流承載能力和低損耗特性；
    (3)對(duì)稱的電流路徑，可在并聯(lián)芯片之間提供良好的電流分配；
    (4)壓力點(diǎn)靠近芯片，使得熱阻小。

圖2 采用夾層設(shè)計(jì)并有大量觸點(diǎn)引腳的主端子——輸出電流為600Arms時(shí)端子溫度的FEM仿真

    通往每個(gè)芯片的電流路徑相互平行的夾層結(jié)構(gòu)保證了極低的內(nèi)部電感值。DC連接和AC連接之間的螺絲所產(chǎn)生的電感LCE小于10nH，整體正負(fù)端子間電感之和小于20nH。

    有限元分析表明，大多數(shù)電感由+/-DC連接的末端部分所導(dǎo)致。有了有限元仿真，可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，電感可減小30％（-10nH）。進(jìn)一步的改善并不可行，因?yàn)闉榱颂峁?qiáng)制的空隙和爬電距離，這里不能使用夾層結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減小電感的唯一方法是采用幾個(gè)平行連接通往直流環(huán)節(jié)電路。

    對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，除其他之外，該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于內(nèi)部開(kāi)關(guān)的過(guò)電壓低，從而可以在相對(duì)較高的直流母線電壓下運(yùn)行，并能夠?qū)崿F(xiàn)安全關(guān)斷，即使在發(fā)生短路時(shí)。無(wú)震蕩的平滑開(kāi)關(guān)過(guò)程確保了開(kāi)關(guān)損耗和釋放的干擾小。
 
    改進(jìn)的半導(dǎo)體允許在小尺寸上擁有越來(lái)越高的功率密度。600V SKiM®93的額定芯片電流是900A，接近標(biāo)準(zhǔn)模塊的兩倍。該電流值也超越了現(xiàn)有IGBT模塊主端子允許電流的上限。SKiM®模塊中所用的寬而厚的銅皮的總電阻rcc’-ee’（包括觸點(diǎn)電阻）僅為300μΩ，這只是標(biāo)準(zhǔn)模塊電阻值的一半。大的接觸力保證了接觸電阻小。雖然如此，產(chǎn)生的損耗迅速通過(guò)許多短小的觸點(diǎn)耗散到冷卻的DCB表面和散熱片上。

    在逆變器中，最大的電流通過(guò)交流端子。出于這個(gè)原因，交流端子位于夾層結(jié)構(gòu)的最低點(diǎn)，因?yàn)檫@一點(diǎn)擁有最好的冷卻性能。模塊被設(shè)計(jì)為當(dāng)散熱器溫度為70°C時(shí)，交流輸出的有效電流為600A。該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)期的連續(xù)電流（見(jiàn)表1）。即使當(dāng)半導(dǎo)體的損耗約為2000W時(shí)，端子的溫度可保持在125°C以下（見(jiàn)圖2）。

3  DCB布局

    DCB的設(shè)計(jì)和芯片的位置對(duì)功率半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)行為和熱電阻具有重要的影響。不對(duì)稱組件設(shè)計(jì)可以很容易導(dǎo)致10％或更多的非均勻分布電流?？傒敵鲭娏魇墚a(chǎn)生最大功耗的組件限制。[!--empirenews.page--]

    寄生電感上的壓降導(dǎo)致并聯(lián)芯片間存在不同的開(kāi)關(guān)速度和振蕩。為了確保平滑和同步開(kāi)關(guān)，電感必須盡可能小，更重要的是對(duì)所有半導(dǎo)體芯片的影響必須相同。采用左右側(cè)各配備一個(gè)IGBT且在中心配備一個(gè)續(xù)流二極管的設(shè)計(jì)可以保證這一點(diǎn)。IGBT和二極管之間的電流換流路徑盡可能的短，并且對(duì)轉(zhuǎn)換器半橋的頂部和底部開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)具有相同的長(zhǎng)度（參見(jiàn)圖3）。  

 
圖3 頂部和底部開(kāi)關(guān)的IGBT和續(xù)流二極管之間的電流換流路徑

    圖4顯示了600A和900V DC時(shí)SKiM®63模塊的開(kāi)關(guān)特性。頂部和底部IGBT的開(kāi)關(guān)損耗、過(guò)電壓和di/dt幾乎相同。情況并非總是如此，事實(shí)上，在大多數(shù)情況下，存在明顯的差異，這是由電流路徑中不同寄生電感所導(dǎo)致的。

 
圖4 兩倍額定電流時(shí)底部IGBT的關(guān)斷Ic(綠),VCE(藍(lán)),VGE(棕)，在600A 900V DC,125°C時(shí)

    同樣，為確保組件的能力被充分利用，需要在并聯(lián)芯片之間具有良好的電流分配。對(duì)所有芯片來(lái)說(shuō)，+DC到–DC電流路徑的阻抗和主電流對(duì)柵極電路的影響必須相同。

    采用夾層母線系統(tǒng)能夠滿足第一個(gè)條件。從+DC到–DC的電流通訊磁場(chǎng)幾乎沒(méi)有變化。主端子的各個(gè)電感是耦合的，因此可以忽略不計(jì)。對(duì)所有并聯(lián)芯片來(lái)說(shuō)，阻抗是相同的。

    第二個(gè)要求在選定的設(shè)計(jì)中還在考慮。即使在動(dòng)態(tài)條件下，所有的IGBT具有相同的柵極發(fā)射極電壓。在IGBT-二極管-IGBT模塊中，由di/dt所導(dǎo)致的壓降相互抵消，也就是說(shuō)，所有的晶體管以同樣的方式受到鍵合線上壓降的影響。其結(jié)果是良好的電流分布，即使在發(fā)生短路時(shí)。

4  熱阻Rth

    傳導(dǎo)壯態(tài)電壓低、175℃的最高結(jié)溫度允許非常高的額定電流。額定電流密度可大于2A/mm2。如果選擇了正確的芯片尺寸，可實(shí)現(xiàn)額定電流、冷卻需求和成本之間的最佳平衡。

    Rth既是芯片尺寸的函數(shù)，也是芯片間距離的函數(shù)。過(guò)大的芯片在整個(gè)芯片區(qū)域內(nèi)有很大的溫度梯度，模塊內(nèi)的熱擴(kuò)散不佳。一些具有同樣總面積但相互間的距離很小的芯片具有較低的Rth。如果芯片間的間隙小，芯片會(huì)互相加熱；同樣，芯片間距越大，熱阻越小。在SKiM®系列在最大有效芯片面積和最優(yōu)熱性能兩方面實(shí)現(xiàn)了最佳的折衷：芯片面積在60mm²至8080mm²之間，芯片之間的距離為3mm。

    芯片兩側(cè)的壓接觸點(diǎn)阻止DCB發(fā)生彎曲。有助于使傳導(dǎo)性能不佳的導(dǎo)熱涂層的厚度減小至20μm-30μm；有基板模塊通常有一個(gè)80μm-100μm厚的導(dǎo)熱涂層。超薄的燒結(jié)銀層，具有良好的熱傳導(dǎo)性，與傳統(tǒng)焊層相比，進(jìn)一步減小了Rth。

5  可靠性

    常規(guī)采用具有銅基板功率模塊的解決方案不適用于汽車應(yīng)用中的極端熱循環(huán)情況。不同的熱膨脹系數(shù)使材料之間連接處產(chǎn)生應(yīng)變。AlSiC基板（鋁碳化硅合金）是一種可靠的替代品，但價(jià)格相對(duì)昂貴。無(wú)基板的壓接模塊是另一種選擇。不同于經(jīng)典的模塊設(shè)計(jì)，這些模塊中的低熱阻和散熱器上的均勻熱擴(kuò)散使得溫度差異較低，即使是在活躍的負(fù)載循環(huán)情況下，也增加了模塊的使用壽命。

    為了提高負(fù)載循環(huán)能力，即使對(duì)于非常高的結(jié)溫，SKiM®系列使用低溫?zé)Y(jié)技術(shù)來(lái)連接芯片和DCB。焊接連接會(huì)因?yàn)樨?fù)載循環(huán)而產(chǎn)生老化，從而使熱阻增大，并最終產(chǎn)生故障。在燒結(jié)連接通過(guò)采用具有優(yōu)良導(dǎo)熱性能的超薄銀層來(lái)實(shí)現(xiàn)。銀的熔點(diǎn)是900°C，明顯高于芯片175°C的最高結(jié)溫。在使用壽命性能測(cè)試中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)結(jié)合點(diǎn)有疲勞現(xiàn)象（參見(jiàn)圖5）。消除這種有可能導(dǎo)致故障的機(jī)制提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

 
圖5 焊接芯片和燒結(jié)芯片在熱循環(huán)測(cè)試中的對(duì)比

    由于采用了壓接和彈簧觸點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行連接，并且去除了帶焊接芯片連接的基板，SKiM®模塊是100%的無(wú)焊接功率模塊。此外，這些模塊已被優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)最佳的芯片利用率和大輸出電流。結(jié)合最高達(dá)175℃的芯片結(jié)溫，使得可以設(shè)計(jì)出具有無(wú)與倫比的功率密度和熱循環(huán)能力的緊湊型逆變器。