用于混合動(dòng)力和電力驅(qū)動(dòng)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(yīng)用中。未來幾年，這個(gè)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將每年增長(zhǎng)20%。用于混合動(dòng)力和電力驅(qū)動(dòng)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(yīng)用中見到其蹤影。由于不同的應(yīng)用領(lǐng)域有著不同的需求，所有情況下的主要關(guān)注點(diǎn)是為功率模塊開發(fā)可靠的封裝技術(shù)。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(jié)技術(shù)的無基板模塊。這些封裝技術(shù)有著不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這就是為什么使用壽命設(shè)計(jì)要求就混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車應(yīng)用的要求評(píng)估這些技術(shù)。例如在冷卻水循環(huán)下，變化的環(huán)境溫度是被動(dòng)熱循環(huán)的原因。此外，功率半導(dǎo)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(dǎo)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(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生。這是導(dǎo)致焊接和鍵合連接中材料疲勞的原因，并最終導(dǎo)致組件出現(xiàn)故障。

　　避免焊接連接

　　在采用壓接技術(shù)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(jī)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(gè)高度穩(wěn)定的燒結(jié)層所取代，采用壓接技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)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(dǎo)熱涂層的厚度。導(dǎo)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(dǎo)熱涂層的原因。在有基板模塊中，需要一個(gè)75～150μm的導(dǎo)熱涂層以彌補(bǔ)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(duì)散熱片和dbc陶瓷基板表面的粗糙度進(jìn)行補(bǔ)償，這就是為什么一個(gè)20～30μm的導(dǎo)熱涂層是足夠的。去除基板意味著去掉了一個(gè)導(dǎo)致熱應(yīng)力的主要因素。

　　焊點(diǎn)的去除消除了焊料疲勞，這一功率模塊中常見的故障機(jī)制。基板的去除也消除了大部分的熱應(yīng)力。40℃/125℃的加速被動(dòng)熱沖擊測(cè)試表明，溫度傳導(dǎo)應(yīng)力被有效地被減少了，可靠性大大增加：在無基板燒結(jié)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(jìn)一步優(yōu)勢(shì)在于，有基板模塊中，焊接dbc基板的面積應(yīng)減小到最低限度以減少焊點(diǎn)材料的疲勞；這里，基板的高導(dǎo)熱確保了所需的熱傳播。相比之下，設(shè)計(jì)無基板模塊時(shí)，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(gè)半導(dǎo)體開關(guān)用了兩個(gè)200a的igbt和兩個(gè)200a的續(xù)流二極管，如圖2所示。因此，一個(gè)完整相包括四個(gè)igbt和四個(gè)續(xù)流二極管。用于無基板模塊的優(yōu)化排列是每個(gè)開關(guān)有四個(gè)100a的igbt和兩個(gè)200a的續(xù)流二極管（每相有八個(gè)igbt和四個(gè)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(gè)100aigbt和2個(gè)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(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生導(dǎo)通和開關(guān)損耗，這意味著功率半導(dǎo)體成為一個(gè)本地?zé)嵩?。在三維有限元計(jì)算的幫助下，可以計(jì)算出任何給定運(yùn)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(dāng)混合動(dòng)力或電動(dòng)車輛加速時(shí)，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(fù)載。

　　負(fù)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(guān)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(gè)強(qiáng)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(dǎo)體緊密的定位和相間的短距離，igbt的溫度在這一點(diǎn)是最高的。雖然在此運(yùn)行狀態(tài)下，續(xù)流二極管只承受中等的負(fù)載，igbt導(dǎo)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(dǎo)體模塊的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于模塊中心的，最終導(dǎo)致三相的非均勻熱分布：中間相igbt的平均熱負(fù)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(gè)逆變器模塊的可用電功率。這會(huì)有兩個(gè)后果：一方面，不得不選擇冷卻條件和負(fù)載，這樣中心dbc基板的溫度不至于過高；另一方面，溫度傳導(dǎo)的損傷機(jī)理對(duì)中間相有較強(qiáng)的影響。這意味著為逆變器功率電路的設(shè)計(jì)工程師應(yīng)始終把中間相的溫度因素包括進(jìn)去。