技术干货：IGBT模块实现双面水冷有啥现实意义

Infineon 的德国团队和美国团队（前IR团队）发表了两篇关于双面水冷的IGBT模块的相关设计及测试结果。原文标题如下

"Dual-sided Cooling for Automotive Inverters – Practical Implementation with Power Module"

"Dual-sided Cooling for Automotive Inverters – Practical Implementation with Power Module"

从应用角度而言，双面水冷技术（DSC）的开发即是基于新能源汽车（纯电动及混动）的应用考虑，主要为了解决车载逆变器功率密度的问题。图1给出其基本结构，相比现有IGBT模块，芯片上层的DCB构成第二条散热通道，用于改善模块的散热效果。

图1 DSC模块内部结构图

图2 的样品照片，模块的尺寸较小，顶部和底部通过DCB陶瓷基板直接和散热器接触，强电和弱电端子分布在芯片的前后两侧。

图2 DSC模块样片

作为双面水冷模块，其塑封材料不同温度下的机械一致性首先需要保证，22、150摄氏度下的模块表面平整度较好，同时防潮性能也比较优异。

由于增加了模块顶部的散热通道，散热效果剋提升70%，需要注意的是，热阻值随表面影响较大，要达到最佳的热阻，800N的压力这条确实也吓了笔者一跳。

图3 DSC模块热阻/压力曲线

由于去除了传统设计中的铜底板，模块的热容显著减小，其热耦合性能大幅提高，基本只在热源附近的芯片温度较高。同时，新的DSC模块还伴随着寄生电感和封装电阻的显著降低，寄生电感只有13nH。

此外，模块还集成了电流和温度传感器，便于实现芯片电流、温度的检测，这条与常规芯片倒没有特别的差异。电流检测基本都在百毫伏范围内。

相比德国团队的工作，前IR团队的研究重心则放在了与之配套的水冷散热的方案实现和性能测试上。图4给出了对应的水冷散热器方案。

图4 DSC双面水冷散热方案

散热器内部还是使用经典的Pin-Fin散热方案，水冷设计的重点包括流量的均恒，散热流族 限制下的Pin针形状和大小的优化设计。基于同样的总流量假设，双面水冷较之单面水冷，热阻可以减小32%，同时水路压降跌落也只有其35%。同时，对于双面散热，仅增大27.5%的压力，就能获得双倍于单面水冷的总散热流量。

图5 不同散热方式的水路设计结果

仿真结果显示，单面水冷下220摄氏度节温的模块采用双面水冷后节温只有175摄氏度。

图6 两种散热方案下的热暂态仿真结果

针对着这种双面散热，其温度测量需要做一定修改，如增加相应的开孔及夹具固定。热测试的结果也印证了前文的设计和仿真结果 ，其中稳态热阻将达到30~40%的降低。同时可以发现，模块的热时间常数只有1.5s，大大小于带铜底板的常规IGBT模块。

最后通电实验显示，同等条件下，采用双面水冷散热后，输出功率能够增加30%以上。作者同时预言如果采用更优化的水冷版设计，逆变器的电流能力能够增加50%甚至更多。