用于電動和混合動力交通工具的功率模塊

1 引言

對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發(fā)新的電動和混合動力驅動交通工具解決方案。為了給這些應用開發(fā)功率半導體模塊，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、開發(fā)具有創(chuàng)新性的方案和技術并對熱和電氣特性進行優(yōu)化，才能實現(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，采用無基板壓接觸點的模塊。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。壓力點在每個芯片的旁邊，保證了DCB被均勻地連接。無基板圖1顯示了模塊外殼的交叉部分，壓力觸點系統(tǒng)和用于連接柵極的彈簧觸點。

圖1 SKiM®模塊滿足電動和混合動力交通工具逆變器的需求

電路是一個3相逆變器電路。每個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。柵極驅動器的印刷電路板不是焊到模塊上，而是用螺絲擰在模塊上。即使是在強烈的熱循環(huán)和振動情況下，彈簧觸點也確保可靠的連接。

該組件為輸出功率在30kW至150kW之間的逆變器而設計，具體適用于多大功率，取決于運行和冷卻條件。表1列出了組件參數和典型電力逆變器輸出電流。

表1:主模塊參數

2 母線的設計

一個優(yōu)秀且可靠的模塊解決方案取決于內部負載連接設計（圖2）。負載連接在模塊內執(zhí)行各種任務，并按照不同任務的要求進行了優(yōu)化：

(1)主端子和芯片之間的無焊接、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)壓力點靠近芯片，使得熱阻小。

圖2 采用夾層設計并有大量觸點引腳的主端子――輸出電流為600Arms時端子溫度的FEM仿真

通往每個芯片的電流路徑相互平行的夾層結構保證了極低的內部電感值。DC連接和AC連接之間的螺絲所產生的電感LCE小于10nH，整體正負端子間電感之和小于20nH。

有限元分析表明，大多數電感由+/-DC連接的末端部分所導致。有了有限元仿真，可對設計進行優(yōu)化，電感可減小30％（-10nH）。進一步的改善并不可行，因為為了提供強制的空隙和爬電距離，這里不能使用夾層結構。實現(xiàn)進一步減小電感的唯一方法是采用幾個平行連接通往直流環(huán)節(jié)電路。

對用戶來說，除其他之外，該設計的優(yōu)勢在于內部開關的過電壓低，從而可以在相對較高的直流母線電壓下運行，并能夠實現(xiàn)安全關斷，即使在發(fā)生短路時。無震蕩的平滑開關過程確保了開關損耗和釋放的干擾小。

改進的半導體允許在小尺寸上擁有越來越高的功率密度。600V SKiM®93的額定芯片電流是900A，接近標準模塊的兩倍。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’（包括觸點電阻）僅為300μ，這只是標準模塊電阻值的一半。大的接觸力保證了接觸電阻小。雖然如此，產生的損耗迅速通過許多短小的觸點耗散到冷卻的DCB表面和散熱片上。

在逆變器中，最大的電流通過交流端子。出于這個原因，交流端子位于夾層結構的最低點，因為這一點擁有最好的冷卻性能。模塊被設計為當散熱器溫度為70°C時，交流輸出的有效電流為600A。該值遠遠高于預期的連續(xù)電流（見表1）。即使當半導體的損耗約為2000W時，端子的溫度可保持在125°C以下（見圖2）。

3 DCB布局

DCB的設計和芯片的位置對功率半導體的開關行為和熱電阻具有重要的影響。不對稱組件設計可以很容易導致10％或更多的非均勻分布電流?？傒敵鲭娏魇墚a生最大功耗的組件限制。