用于混合動力和電力驅(qū)動的逆變器

引言

　　據(jù)調(diào)查顯示，目前正在投入使用的功率模塊中有4%是用在汽車應用中。未來幾年，這個市場預計將每年增長20%。用于混合動力和電力驅(qū)動的逆變器已經(jīng)可以在貨車、巴士和農(nóng)用車以及汽車和賽車應用中見到其蹤影。由于不同的應用領域有著不同的需求，所有情況下的主要關注點是為功率模塊開發(fā)可靠的封裝技術。如今最普遍的封裝解決方案是有基板和無基板的焊接模塊，以及最近采用燒結技術的無基板模塊。這些封裝技術有著不同的優(yōu)點和缺點，這就是為什么使用壽命設計要求就混合動力和電動汽車應用的要求評估這些技術。例如在冷卻水循環(huán)下，變化的環(huán)境溫度是被動熱循環(huán)的原因。此外，功率半導體中產(chǎn)生的功率損耗產(chǎn)生短暫的（5～20s）t=40℃～60℃的溫升。這里，功率半導體被從70℃的冷卻水溫度加熱到超過110℃～130℃，之后它們又回落到冷卻水溫度。由于所使用的材料有著不同的熱膨脹系數(shù)，因此每一次的溫度變化都會導致機械應力的產(chǎn)生。這是導致焊接和鍵合連接中材料疲勞的原因，并最終導致組件出現(xiàn)故障。

　　避免焊接連接

　　在采用壓接技術的無基板模塊中，有幾種途徑可用于提高模塊的可靠性。通過不斷避免焊接連接，焊接疲勞——這一功率模塊的主要故障機理——是可以完全消除的。這里，芯片和絕緣dbc陶瓷基板上的焊接連接被一個高度穩(wěn)定的燒結層所取代，采用壓接技術進行導電連接。去除基板有許多好處：首先，可以減小模塊與散熱器之間導熱涂層的厚度。導熱涂層是功率模塊中影響總熱阻的主要因素之一，這就是為什么要用盡可能薄的導熱涂層的原因。在有基板模塊中，需要一個75～150μm的導熱涂層以彌補基板的彎曲。在無基板模塊中，要主要需要處理的問題是如何對散熱片和dbc陶瓷基板表面的粗糙度進行補償，這就是為什么一個20～30μm的導熱涂層是足夠的。去除基板意味著去掉了一個導致熱應力的主要因素。

　　焊點的去除消除了焊料疲勞，這一功率模塊中常見的故障機制?；宓娜コ蚕舜蟛糠值臒釕?。40℃/125℃的加速被動熱沖擊測試表明，溫度傳導應力被有效地被減少了，可靠性大大增加：在無基板燒結模塊情況下，可能的熱沖擊次數(shù)增加了15倍。去除焊接互連和基板的進一步優(yōu)勢在于，有基板模塊中，焊接dbc基板的面積應減小到最低限度以減少焊點材料的疲勞；這里，基板的高導熱確保了所需的熱傳播。相比之下，設計無基板模塊時，dbc基板的面積就可以更大了，如圖1所示。

　　
　優(yōu)化熱分布

　　下文著眼于三相400a、600v逆變器模塊中igbt和續(xù)流二極管的定位。在有基板模塊情況下，每個半導體開關用了兩個200a的igbt和兩個200a的續(xù)流二極管，如圖2所示。因此，一個完整相包括四個igbt和四個續(xù)流二極管。用于無基板模塊的優(yōu)化排列是每個開關有四個100a的igbt和兩個200a的續(xù)流二極管（每相有八個igbt和四個續(xù)流二極管）。這意味著，無基板三相模塊的基區(qū)面積比有基板模塊的約大10%左右。

　　相比之下，帶有8個100aigbt和2個續(xù)流二極管的無基板skim模塊的布局為優(yōu)化熱分布和散熱采用了面積較大的dbc陶瓷基板。逆變器運行時，產(chǎn)生導通和開關損耗，這意味著功率半導體成為一個本地熱源。在三維有限元計算的幫助下，可以計算出任何給定運行狀態(tài)下逆變器模塊和散熱器中的熱傳播，如圖3所示。例如，當混合動力或電動車輛加速時，大部分功率損失是產(chǎn)生在igbt上的，而續(xù)流二極管承受較低的負載。

　　負載條件：電池電壓=350v、輸出電流=250a、輸出電壓=220v、輸出頻率=50hz、開關頻率=12khz，相位角cosf=0.85，冷卻介質(zhì)溫度=70℃。這就是為什么在熱成像圖中，igbt的位置呈現(xiàn)為一個強烈的熱源。在有基板模塊情況下，熱量集中在三相配置的中心。由于半導體緊密的定位和相間的短距離，igbt的溫度在這一點是最高的。雖然在此運行狀態(tài)下，續(xù)流二極管只承受中等的負載，igbt導致模塊中心的續(xù)流二極管顯著升溫。相比之下，逆變器模塊邊緣的二極管溫度要低15℃。盡管有底板，逆變器模塊邊緣區(qū)域的功率半導體模塊的溫度要遠遠低于模塊中心的，最終導致三相的非均勻熱分布：中間相igbt的平均熱負載幾乎比邊上兩相的igbt的平均溫度高10℃。igbt溫度的最高值和最低值相差超過20℃。中間相限制了整個逆變器模塊的可用電功率。這會有兩個后果：一方面，不得不選擇冷卻條件和負載，這樣中心dbc基板的溫度不至于過高；另一方面，溫度傳導的損傷機理對中間相有較強的影響。這意味著為逆變器功率電路的設計工程師應始終把中間相的溫度因素包括進去。