用于電動和混合動力交通工具的功率模塊

1 引言

對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發(fā)新的電動和混合動力驅(qū)動交通工具解決方案。為了給這些應(yīng)用開發(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、開發(fā)具有創(chuàng)新性的方案和技術(shù)并對熱和電氣特性進(jìn)行優(yōu)化，才能實現(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，采用無基板壓接觸點的模塊。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。壓力點在每個芯片的旁邊，保證了DCB被均勻地連接。無基板圖1顯示了模塊外殼的交叉部分，壓力觸點系統(tǒng)和用于連接?xùn)艠O的彈簧觸點。

圖1 SKiM®模塊滿足電動和混合動力交通工具逆變器的需求

電路是一個3相逆變器電路。每個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。柵極驅(qū)動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)和振動情況下，彈簧觸點也確?？煽康倪B接。

該組件為輸出功率在30kW至150kW之間的逆變器而設(shè)計，具體適用于多大功率，取決于運行和冷卻條件。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

一個優(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（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)壓力點靠近芯片，使得熱阻小。

圖2 采用夾層設(shè)計并有大量觸點引腳的主端子――輸出電流為600Arms時端子溫度的FEM仿真

通往每個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，可對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，電感可減小30％（-10nH）。進(jìn)一步的改善并不可行，因為為了提供強(qiáng)制的空隙和爬電距離，這里不能使用夾層結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)進(jìn)一步減小電感的唯一方法是采用幾個平行連接通往直流環(huán)節(jié)電路。

對用戶來說，除其他之外，該設(shè)計的優(yōu)勢在于內(nèi)部開關(guān)的過電壓低，從而可以在相對較高的直流母線電壓下運行，并能夠?qū)崿F(xiàn)安全關(guān)斷，即使在發(fā)生短路時。無震蕩的平滑開關(guān)過程確保了開關(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’（包括觸點電阻）僅為300μ，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)生的損耗迅速通過許多短小的觸點耗散到冷卻的DCB表面和散熱片上。

在逆變器中，最大的電流通過交流端子。出于這個原因，交流端子位于夾層結(jié)構(gòu)的最低點，因為這一點擁有最好的冷卻性能。模塊被設(shè)計為當(dāng)散熱器溫度為70°C時，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（見表1）。即使當(dāng)半導(dǎo)體的損耗約為2000W時，端子的溫度可保持在125°C以下（見圖2）。

3 DCB布局

DCB的設(shè)計和芯片的位置對功率半導(dǎo)體的開關(guān)行為和熱電阻具有重要的影響。不對稱組件設(shè)計可以很容易導(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。