用于电动和混合动力交通工具的功率模块

1  引言

    对减少二氧化碳排放的急迫呼吁已使主要的汽车制造商致力于开发新的电动和混合动力驱动交通工具解决方案。为了给这些应用开发功率半导体模块，需要新的模块集成和封装解决方案。然而，只有选择正确的组件、开发具有创新性的方案和技术并对热和电气特性进行优化，才能实现相互冲突的需求，即低成本下最大功率密度、效率和可靠性。

    SKiM®功率模块系列（Semikron integrated Module，赛米控集成模块）是赛米控推出的最新一代超小型，采用无基板压接触点的模块。用于绝缘的陶瓷基板DCB不是焊接到铜基板上的，而是通过压力连接到散热片上，确保了出色的热循环能力和低的热阻。压力点在每个芯片的旁边，保证了DCB被均匀地连接。无基板图1显示了模块外壳的交叉部分，压力触点系统和用于连接栅极的弹簧触点。

 
图1 SKiM®模块满足电动和混合动力交通工具逆变器的需求

    电路是一个3相逆变器电路。每个半桥有自己的直流连接和温度传感器。IGBT的栅极连接采用弹簧触点。栅极驱动器的印刷电路板不是焊到模块上，而是用螺丝拧在模块上。即使是在强烈的热循环和振动情况下，弹簧触点也确保可靠的连接。

    该组件为输出功率在30kW至150kW之间的逆变器而设计，具体适用于多大功率，取决于运行和冷却条件。表1列出了组件参数和典型电力逆变器输出电流。

表1:主模块参数

2  母线的设计

    一个优秀且可靠的模块解决方案取决于内部负载连接设计（图2）。负载连接在模块内执行各种任务，并按照不同任务的要求进行了优化：

    (1)主端子和芯片之间的无焊接、低电感连接；
    (2)适用于大逆变电流的大电流承载能力和低损耗特性；
    (3)对称的电流路径，可在并联芯片之间提供良好的电流分配；
    (4)压力点靠近芯片，使得热阻小。

图2 采用夹层设计并有大量触点引脚的主端子——输出电流为600Arms时端子温度的FEM仿真

    通往每个芯片的电流路径相互平行的夹层结构保证了极低的内部电感值。DC连接和AC连接之间的螺丝所产生的电感LCE小于10nH，整体正负端子间电感之和小于20nH。

    有限元分析表明，大多数电感由+/-DC连接的末端部分所导致。有了有限元仿真，可对设计进行优化，电感可减小30％（-10nH）。进一步的改善并不可行，因为为了提供强制的空隙和爬电距离，这里不能使用夹层结构。实现进一步减小电感的唯一方法是采用几个平行连接通往直流环节电路。

    对用户来说，除其他之外，该设计的优势在于内部开关的过电压低，从而可以在相对较高的直流母线电压下运行，并能够实现安全关断，即使在发生短路时。无震荡的平滑开关过程确保了开关损耗和释放的干扰小。
 
    改进的半导体允许在小尺寸上拥有越来越高的功率密度。600V SKiM®93的额定芯片电流是900A，接近标准模块的两倍。该电流值也超越了现有IGBT模块主端子允许电流的上限。SKiM®模块中所用的宽而厚的铜皮的总电阻rcc’-ee’（包括触点电阻）仅为300μΩ，这只是标准模块电阻值的一半。大的接触力保证了接触电阻小。虽然如此，产生的损耗迅速通过许多短小的触点耗散到冷却的DCB表面和散热片上。

    在逆变器中，最大的电流通过交流端子。出于这个原因，交流端子位于夹层结构的最低点，因为这一点拥有最好的冷却性能。模块被设计为当散热器温度为70°C时，交流输出的有效电流为600A。该值远远高于预期的连续电流（见表1）。即使当半导体的损耗约为2000W时，端子的温度可保持在125°C以下（见图2）。

3  DCB布局

    DCB的设计和芯片的位置对功率半导体的开关行为和热电阻具有重要的影响。不对称组件设计可以很容易导致10％或更多的非均匀分布电流。总输出电流受产生最大功耗的组件限制。[!--empirenews.page--]

    寄生电感上的压降导致并联芯片间存在不同的开关速度和振荡。为了确保平滑和同步开关，电感必须尽可能小，更重要的是对所有半导体芯片的影响必须相同。采用左右侧各配备一个IGBT且在中心配备一个续流二极管的设计可以保证这一点。IGBT和二极管之间的电流换流路径尽可能的短，并且对转换器半桥的顶部和底部开关来说具有相同的长度（参见图3）。  

 
图3 顶部和底部开关的IGBT和续流二极管之间的电流换流路径

    图4显示了600A和900V DC时SKiM®63模块的开关特性。顶部和底部IGBT的开关损耗、过电压和di/dt几乎相同。情况并非总是如此，事实上，在大多数情况下，存在明显的差异，这是由电流路径中不同寄生电感所导致的。

 
图4 两倍额定电流时底部IGBT的关断Ic(绿),VCE(蓝),VGE(棕)，在600A 900V DC,125°C时

    同样，为确保组件的能力被充分利用，需要在并联芯片之间具有良好的电流分配。对所有芯片来说，+DC到–DC电流路径的阻抗和主电流对栅极电路的影响必须相同。

    采用夹层母线系统能够满足第一个条件。从+DC到–DC的电流通讯磁场几乎没有变化。主端子的各个电感是耦合的，因此可以忽略不计。对所有并联芯片来说，阻抗是相同的。

    第二个要求在选定的设计中还在考虑。即使在动态条件下，所有的IGBT具有相同的栅极发射极电压。在IGBT-二极管-IGBT模块中，由di/dt所导致的压降相互抵消，也就是说，所有的晶体管以同样的方式受到键合线上压降的影响。其结果是良好的电流分布，即使在发生短路时。

4  热阻Rth

    传导壮态电压低、175℃的最高结温度允许非常高的额定电流。额定电流密度可大于2A/mm2。如果选择了正确的芯片尺寸，可实现额定电流、冷却需求和成本之间的最佳平衡。

    Rth既是芯片尺寸的函数，也是芯片间距离的函数。过大的芯片在整个芯片区域内有很大的温度梯度，模块内的热扩散不佳。一些具有同样总面积但相互间的距离很小的芯片具有较低的Rth。如果芯片间的间隙小，芯片会互相加热；同样，芯片间距越大，热阻越小。在SKiM®系列在最大有效芯片面积和最优热性能两方面实现了最佳的折衷：芯片面积在60mm²至8080mm²之间，芯片之间的距离为3mm。

    芯片两侧的压接触点阻止DCB发生弯曲。有助于使传导性能不佳的导热涂层的厚度减小至20μm-30μm；有基板模块通常有一个80μm-100μm厚的导热涂层。超薄的烧结银层，具有良好的热传导性，与传统焊层相比，进一步减小了Rth。

5  可靠性

    常规采用具有铜基板功率模块的解决方案不适用于汽车应用中的极端热循环情况。不同的热膨胀系数使材料之间连接处产生应变。AlSiC基板（铝碳化硅合金）是一种可靠的替代品，但价格相对昂贵。无基板的压接模块是另一种选择。不同于经典的模块设计，这些模块中的低热阻和散热器上的均匀热扩散使得温度差异较低，即使是在活跃的负载循环情况下，也增加了模块的使用寿命。

    为了提高负载循环能力，即使对于非常高的结温，SKiM®系列使用低温烧结技术来连接芯片和DCB。焊接连接会因为负载循环而产生老化，从而使热阻增大，并最终产生故障。在烧结连接通过采用具有优良导热性能的超薄银层来实现。银的熔点是900°C，明显高于芯片175°C的最高结温。在使用寿命性能测试中，没有发现结合点有疲劳现象（参见图5）。消除这种有可能导致故障的机制提高了整个系统的可靠性。

 
图5 焊接芯片和烧结芯片在热循环测试中的对比

    由于采用了压接和弹簧触点技术进行连接，并且去除了带焊接芯片连接的基板，SKiM®模块是100%的无焊接功率模块。此外，这些模块已被优化以实现最佳的芯片利用率和大输出电流。结合最高达175℃的芯片结温，使得可以设计出具有无与伦比的功率密度和热循环能力的紧凑型逆变器。