摘要

為滿足快速發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)對(duì)高功率密度 SiC 功率模塊的需求，進(jìn)行了 1 200 V/500 A 高功率密度三相 全橋 SiC 功率模塊設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，提出了一種基于多疊層直接鍵合銅單元的功率模塊封裝方法來(lái)并聯(lián)更多的芯片。利用互感對(duì)消效應(yīng)減小寄生電感，導(dǎo)電面積增加了 1 倍，因此可以減小功率模塊的總面積。在電磁學(xué)與熱力學(xué)仿 真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)物制作與性能測(cè)試。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的封裝方法相比，該封裝方法減少 了 34.9%的尺寸，并減少了 74.8%的寄生電感使得門(mén)極具有更高的穩(wěn)定性，且當(dāng)直流 300 A 電流時(shí)，單相最高結(jié)溫 為 158 ℃。

如今，三相全橋功率模塊廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē) 與工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，并對(duì)功率密度提出了越來(lái)越高的 要求。為了實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，須提高功率模塊 的開(kāi)關(guān)頻率，降低雜散電感，還要增強(qiáng)散熱能力。隨著寬禁帶功率器件的不斷發(fā)展，碳化硅(silicon carbide，SiC)由于其更高的擊穿電壓，更高的工作溫 度，更低的開(kāi)關(guān)損耗，顯示出取代硅基功率器件的 巨大潛力。然而由于封裝限制，這些突出的優(yōu)點(diǎn)目 前還無(wú)法在同尺寸的功率模塊中得到有效證明。

二維引線鍵合封裝結(jié)構(gòu)工藝已經(jīng)相對(duì)成熟且簡(jiǎn) 單，因此在商用 SiC 功率模塊設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。但是這種二維的功率模塊封裝結(jié)構(gòu)通常具有較大的寄生電感，這很大程度上限制了SiC 器件的開(kāi)關(guān)速 度。這種寄生電感的存在還會(huì)導(dǎo)致造成門(mén)極的不穩(wěn) 定振蕩，阻礙了功率密度的進(jìn)一步提高。Chen 等提出了一種改進(jìn)的線鍵結(jié)構(gòu)，用于 1200 V/60 A SiC 功率模塊，在二維模塊中采用疊層引線框架， 增強(qiáng)開(kāi)爾文源極對(duì)稱性來(lái)降低寄生電感。Huber 等提出了一種多直接鍵合銅(direct bonding copper, DBC)的 600 V/200 A 單相全橋 SiC 功率模塊，采用 兩層 DBC 實(shí)現(xiàn)了低寄生電感,功率器件焊接在雙層 DBC 的頂層。Luo 等基于疊層 DBC 開(kāi)發(fā)了 1200 V120 A 的半橋 SiC 功率模塊。然而，對(duì)大功率下三相全橋的疊層 DBC 功率模塊的研究相對(duì)較少，特別 是在面對(duì)更大電流和更高功率的情境下，對(duì)于疊層 DBC 功率模塊芯片熱穩(wěn)定問(wèn)題的深入研究尚需進(jìn) 一步展開(kāi)。

基于上述分析，本研究提出了一種多疊層 DBC 單元的封裝結(jié)構(gòu)，并研制了 1 200 V/500 A 三相全橋功率模塊，該模塊利用 pinfin 散熱器進(jìn)行水冷散熱， 并進(jìn)行了電氣性能與散熱性能仿真與實(shí)驗(yàn)。

1 功率模塊設(shè)計(jì)和仿真

1.1 疊層 DBC 單元設(shè)計(jì)

疊層 DBC 封裝結(jié)構(gòu)側(cè)面圖如圖 1 所示，底部 DBC 和頂部 DBC 分別傳導(dǎo)電流，SiC MOSFET 芯 片的漏極焊接在底層 DBC 上，門(mén)極與源極通過(guò)鍵合 線與頂層 DBC 相連接。

互感抵消效應(yīng)如圖 2 所示，疊層 DBC 的電流 路徑重疊且方向相反，該設(shè)計(jì)采用了互感抵消效應(yīng)， 通過(guò)使電流在相鄰層之間反向流動(dòng)，顯著降低寄生 電感，這一技術(shù)在疊層母排設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng) 用。相相對(duì)于傳統(tǒng)的二維封裝結(jié)構(gòu)，這種方法可以 有效降低雜散參數(shù)，從而改善功率模塊的整體性能。

疊層 DBC 單元及電流流通路徑如圖 3 所示， 尺寸為 59 mm × 32 mm。通過(guò)在 Ansys Q3D 中提取 寄生電感，該功率模塊的總寄生電感僅為 4.74 nH。相較之下，具有相同額定功率和尺寸為 64 mm×44 mm 的傳統(tǒng)二維布局模塊的寄生電感值為 18.84 nH。

由于電流路徑增加了 1 倍，因此在相同的封裝 面積下，疊層 DBC 單元允許更多的芯片并聯(lián)，從而 顯著增加了 SiC 功率模塊的功率密度。這種方法工 藝相對(duì)簡(jiǎn)單，有望降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率。如 圖 4 所示，最終設(shè)計(jì)的 1200 V/500 A 高功率密度三 相全橋 SiC 功率模塊的尺寸與 EconoDUAL 封裝的 商用單相全橋模塊一致。

1.2 散熱設(shè)計(jì)

冷卻系統(tǒng)在電力電子系統(tǒng)的總質(zhì)量和總體積 中占據(jù)相當(dāng)大的比例。為了實(shí)現(xiàn)更高的功率密度， 功率模塊通常采用 PinFin 散熱器來(lái)提升散熱性能。本研究所采用的 PinFin 散熱器結(jié)構(gòu)圖 5 所示，這種 結(jié)構(gòu)在相對(duì)較小的空間內(nèi)提供了更大的散熱表面積， 使其與周?chē)h(huán)境更有效地交換熱量，從而提高了整 體散熱性能。

計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics， CFD）仿真模型根據(jù)所需工況設(shè)置每顆芯片功率 150 W，三相模塊總熱耗率為 5 400 W。入口水流速 為 0.52 m/s，水溫 25 ℃，出口壓力為靜壓，本研究 設(shè)計(jì)的功率模塊各部分材料參數(shù)如表 1 所示。仿真 結(jié)果如圖 6 所示，根據(jù)仿真結(jié)果分析，芯片最高結(jié) 溫 148.42 ℃，芯片平均結(jié)溫 123.24 ℃。最高結(jié)溫和 平均結(jié)溫的數(shù)據(jù)有助于評(píng)估功率模塊散熱設(shè)計(jì)的性 能，驗(yàn)證提出疊層 DBC 單元封裝結(jié)構(gòu)的可行性。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 模塊制作

功率模塊封裝工藝制作流程如圖 7 所示，首先 是芯片出廠檢測(cè)與功率模塊封裝的設(shè)計(jì)，之后進(jìn)行 芯片濺射、真空焊接、超聲波焊接和模塊真空灌封， 最后進(jìn)行模塊的檢測(cè)。在制作流程中，芯片的出廠 檢測(cè)和功率模塊的封裝設(shè)計(jì)確保了所使用的芯片質(zhì) 量可靠且符合設(shè)計(jì)要求。芯片濺射、真空焊接、超 聲波焊接等工藝步驟用于將芯片按照電路拓?fù)溥B接 到封裝結(jié)構(gòu)中。模塊真空灌封則有助于提高封裝的 密封性，確保內(nèi)部芯片在惡劣環(huán)境中的可靠運(yùn)行。圖 8 展示了設(shè)計(jì)的 1 200 V/500 A 高功率密度三相 全橋 SiC 功率模塊的實(shí)物。

2.2 電氣性能測(cè)試

開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)態(tài)電氣性能可以通過(guò)雙脈沖電路 獲得，下管用作被測(cè)器件。柵極-源極電壓 Vgs 與漏極-源極電壓 Vds 使用高壓隔離差分探頭測(cè)量，漏極 電流 Id 使用羅氏線圈電流探頭測(cè)量。上管的柵極承 受負(fù)電壓，因此上管關(guān)閉，只有續(xù)流二極管在工作， 由圖 9 所示的測(cè)試結(jié)果波形可以看出，制作的功率 模塊通過(guò)了 800 V/500 A 的雙脈沖測(cè)試，證明了所 提出的功率模塊在高電壓和大電流條件下具有可靠 的動(dòng)態(tài)電氣性能，符合設(shè)計(jì)和規(guī)格要求。

傳統(tǒng)的二維封裝結(jié)構(gòu)由于雜散電感更高，在電 流為 200 A 時(shí)門(mén)極已經(jīng)出現(xiàn)了明顯振蕩，如圖 10 所 示。

門(mén)極振蕩可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，與之相 比，本研究使用的疊層 DBC 封裝結(jié)構(gòu)通過(guò)減小雜散 電感，提高了功率模塊的動(dòng)態(tài)性能。

2.3 散熱性能測(cè)試

為了更全面地評(píng)估功率模塊的散熱能力，采用 功率模塊單相全橋直通的方式，通過(guò)紅外熱成像儀 對(duì)功率模塊進(jìn)行觀察，以獲取功率模塊的最高結(jié)溫。測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖 11 所示，其中弱電電源為門(mén)極驅(qū) 動(dòng)供電，電流源提供大電流。最終測(cè)試功率模塊直 通電流值為 300 A。圖 12 為 300 A 時(shí)功率模塊熱分 布結(jié)果圖，根據(jù)結(jié)果可知，在這種條件下，功率模塊單相最高結(jié)溫約為 158 ℃左右。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果提 供了對(duì)功率模塊在大電流通流情況下的實(shí)際工作狀 態(tài)的直觀了解，為優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)和確保功率模塊的 可靠性提供了參考，證明了大功率下本研究提出的 疊層 DBC 功率模塊設(shè)計(jì)的可行性。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)與工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)并 開(kāi)發(fā)了一款 1 200 V/500 A 高功率密度三相全橋 SiC 功率模塊。提出的采用多疊層 DBC 單元的設(shè)計(jì)方 法，簡(jiǎn)化了制造流程，降低了成本，可以提高生產(chǎn) 效率?；诜抡娼Y(jié)果進(jìn)行了實(shí)物的設(shè)計(jì)與制作，并 進(jìn)行了電氣和散熱性能測(cè)試。結(jié)果表明：相較于傳 統(tǒng)封裝方法，提出的封裝方法在尺寸上減小了 34.9%，寄生電感減少了 74.8%，使得門(mén)極具有更高 的穩(wěn)定性。在直流 300 A 電流通流的情況下，單相 最高結(jié)溫為 158 ℃。本研究提出的三相全橋 SiC 功 率模塊設(shè)計(jì)方法有助于推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 功率密度的提高。

審核編輯：劉清