用于電動(dòng)和混合動(dòng)力交通工具的功率模塊

寄生電感上的壓降導(dǎo)致并聯(lián)芯片間存在不同的開關(guān)速度和振蕩。為了確保平滑和同步開關(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關(guān)來(lái)說具有相同的長(zhǎng)度（參見圖3）。

圖3 頂部和底部開關(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模塊的開關(guān)特性。頂部和底部IGBT的開關(guān)損耗、過電壓和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，+DC到CDC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CDC的電流通訊磁場(chǎng)幾乎沒有變化。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，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，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，沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)合點(diǎn)有疲勞現(xiàn)象（參見圖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。