用于電動(dòng)和混合動(dòng)力交通工具的功率模塊

1 引言

對(duì)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(kāi)發(fā)新的電動(dòng)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)交通工具解決方案。為了給這些應(yīng)用開(kāi)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(kāi)發(fā)具有創(chuàng)新性的方案和技術(shù)并對(duì)熱和電氣特性進(jìn)行優(yōu)化，才能實(shí)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(wú)基板壓接觸點(diǎn)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(guò)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(diǎn)在每個(gè)芯片的旁邊，保證了DCB被均勻地連接。無(wú)基板圖1顯示了模塊外殼的交叉部分，壓力觸點(diǎn)系統(tǒng)和用于連接?xùn)艠O的彈簧觸點(diǎn)。

圖1 SKiM®模塊滿足電動(dòng)和混合動(dòng)力交通工具逆變器的需求

電路是一個(gè)3相逆變器電路。每個(gè)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(diǎn)。柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)情況下，彈簧觸點(diǎn)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(jì)，具體適用于多大功率，取決于運(yùn)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(jì)

一個(gè)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(jì)（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(wú)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(duì)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(diǎn)靠近芯片，使得熱阻小。

圖2 采用夾層設(shè)計(jì)并有大量觸點(diǎn)引腳的主端子――輸出電流為600Arms時(shí)端子溫度的FEM仿真

通往每個(gè)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(duì)設(shè)計(jì)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?yàn)闉榱颂峁?qiáng)制的空隙和爬電距離，這里不能使用夾層結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減小電感的唯一方法是采用幾個(gè)平行連接通往直流環(huán)節(jié)電路。

對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，除其他之外，該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于內(nèi)部開(kāi)關(guān)的過(guò)電壓低，從而可以在相對(duì)較高的直流母線電壓下運(yùn)行，并能夠?qū)崿F(xiàn)安全關(guān)斷，即使在發(fā)生短路時(shí)。無(wú)震蕩的平滑開(kāi)關(guān)過(guò)程確保了開(kāi)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(lái)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(diǎn)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(guò)許多短小的觸點(diǎn)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(guò)交流端子。出于這個(gè)原因，交流端子位于夾層結(jié)構(gòu)的最低點(diǎn)，因?yàn)檫@一點(diǎn)擁有最好的冷卻性能。模塊被設(shè)計(jì)為當(dāng)散熱器溫度為70°C時(shí)，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(jiàn)表1）。即使當(dāng)半導(dǎo)體的損耗約為2000W時(shí)，端子的溫度可保持在125°C以下（見(jiàn)圖2）。

3 DCB布局

DCB的設(shè)計(jì)和芯片的位置對(duì)功率半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)行為和熱電阻具有重要的影響。不對(duì)稱組件設(shè)計(jì)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。