功率模塊在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車上的潛在應(yīng)用

　　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(lái)幾年，這個(gè)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將每年增長(zhǎng)20%，令人印象深刻。應(yīng)用可能性是巨大的，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(jiàn)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(kāi)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(wú)基板的焊接模塊，以及最近采用燒結(jié)技術(shù)的無(wú)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(guò)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(wú)基板模塊中，有幾種途徑可用于提高模塊的可靠性。通過(guò)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(wú)基板模塊中，要主要需要處理的問(wèn)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(jiàn)的故障機(jī)制?；宓娜コ蚕舜蟛糠值臒釕?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(wú)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(wú)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(kāi)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(wú)基板模塊的優(yōu)化排列是每個(gè)開(kāi)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(wú)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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。

　　在無(wú)基板skim模塊中，熱分布要均勻得多：這里，igbt的位置也呈現(xiàn)為一個(gè)強(qiáng)烈的熱源。然而，由于熱損耗分布在幾個(gè)位置上，dcb基板之間的距離更大，擁有更多的空間用于散熱。所產(chǎn)生的損耗可有效地消散，減少igbt和二極管之間的相互加熱。最佳散熱也確保在不同相上的均勻負(fù)載分布：功率逆變器三相間的igbt和二極管溫度是均勻的，所有三相的igbt平均溫度幾乎是相同的。igbt之間的最大溫差不超過(guò)10℃。負(fù)載分布均勻，使可用的制冷功率得到最佳利用，從而有利于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。除此之外，每個(gè)絕緣dbc陶瓷基板上的溫度傳感器允許每相單獨(dú)評(píng)估，提供了額外的對(duì)運(yùn)行溫度進(jìn)行控制的可能性。

溫度與使用壽命

　　對(duì)于運(yùn)行中逆變器的實(shí)際熱負(fù)載，時(shí)變負(fù)載必須加以考慮。混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)不同的負(fù)載狀態(tài)：車輛加速過(guò)程中，igbt處于特別高的負(fù)載下，而減速過(guò)程中，進(jìn)行能量回收，電機(jī)的電池重新充電，這時(shí)續(xù)流二極管處于最大負(fù)載下。為了描述逆變器模塊的時(shí)變升溫，也必須研究功率模塊在0.1s～30s負(fù)載循環(huán)下的行為。對(duì)于兩種配置，igbt的時(shí)變熱阻都按照負(fù)載脈沖的寬度增加，如圖4所示。熱量開(kāi)始從功率半導(dǎo)體沿著散熱器的方向流動(dòng)、擴(kuò)散，導(dǎo)致整個(gè)模塊升溫。如果負(fù)載脈沖持續(xù)時(shí)間超過(guò)30s，模塊將被充分加熱，熱阻不再增加。

　時(shí)變熱阻值現(xiàn)在可用來(lái)計(jì)算運(yùn)行過(guò)程中半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和閥上的熱負(fù)載。要做到這一點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)的負(fù)載周期，正如實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)的那樣，被用來(lái)模擬典型負(fù)載狀態(tài)和負(fù)載脈沖寬度。讓我們以混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)周期為例，如圖5所示。在最初的啟動(dòng)和加速階段，能量來(lái)自電池并送入電機(jī)。在這些加速度階段，輸出功率可達(dá)到60kw。igbt的溫度按照逆變器的輸出升高到95℃。在恒速階段只需很少的逆變功率，半導(dǎo)體的溫度再次下降。在減速階段，目標(biāo)盡可能多地回收能量并反饋給電池。此時(shí)，igbt和二極管的功耗大致相同，而熱量耗散正處于最高值，igbt的溫度達(dá)到近110℃。

　　igbt的最大溫升dt=40℃。從模塊使用壽命方面來(lái)說(shuō)，這相當(dāng)于600萬(wàn)次負(fù)載循環(huán)，如圖6所示。可以看出，均勻的溫度分布對(duì)于逆變器使用壽命和設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是多么的重要，如果溫度再升高10℃－dt=50℃可能的負(fù)載循環(huán)次數(shù)將降低3倍至200萬(wàn)次。為便于使用壽命設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體的最佳利用，損耗的均勻分布是絕對(duì)必要的。

　　均勻的溫度分布是必須的。10℃的溫升使負(fù)載循環(huán)數(shù)降低3倍，20℃的溫升能夠使使用壽命縮短6倍。

總結(jié)

　　無(wú)基板燒結(jié)模塊提供一系列增強(qiáng)混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車逆變器模塊可靠性的可能性。由基板所導(dǎo)致的焊接和膨脹不利因素被消除了。優(yōu)化了的布局保證了運(yùn)行期間整個(gè)功率半導(dǎo)體很大程度上溫度均勻分布。這意味著，在預(yù)期使用壽命計(jì)算中可以平等地考慮三相，從而便于逆變器的設(shè)計(jì)。逆變器的可靠性得到了明顯的改善，即使是在相當(dāng)大的主動(dòng)和被動(dòng)溫度波動(dòng)下。許多不同的無(wú)基板燒結(jié)模塊應(yīng)用證實(shí)了這一點(diǎn)，例如電動(dòng)汽車和公用車輛中的動(dòng)力系統(tǒng)以及諸如賽車這樣要求苛刻的應(yīng)用。