用于电动和混合动力交通工具的功率模块

1 引言

对减少二氧化碳排放的急迫呼吁已使主要的汽车制造商致力于开发新的电动和混合动力驱动交通工具解决方案。为了给这些应用开发功率半导体模块，需要新的模块集成和封装解决方案。然而，只有选择正确的组件、开发具有创新性的方案和技术并对热和电气特性进行优化，才能实现相互冲突的需求，即低成本下最大功率密度、效率和可靠性。

SKiM®功率模块系列（Semikron integrated Module，赛米控集成模块）是赛米控推出的最新一代超小型，采用无基板压接触点的模块。用于绝缘的陶瓷基板DCB不是焊接到铜基板上的，而是通过压力连接到散热片上，确保了出色的热循环能力和低的热阻。压力点在每个芯片的旁边，保证了DCB被均匀地连接。无基板图1显示了模块外壳的交叉部分，压力触点系统和用于连接栅极的弹簧触点。

图1 SKiM®模块满足电动和混合动力交通工具逆变器的需求

电路是一个3相逆变器电路。每个半桥有自己的直流连接和温度传感器。IGBT的栅极连接采用弹簧触点。栅极驱动器的印刷电路板不是焊到模块上，而是用螺丝拧在模块上。即使是在强烈的热循环和振动情况下，弹簧触点也确保可靠的连接。

该组件为输出功率在30kW至150kW之间的逆变器而设计，具体适用于多大功率，取决于运行和冷却条件。表1列出了组件参数和典型电力逆变器输出电流。

表1:主模块参数

2 母线的设计

一个优秀且可靠的模块解决方案取决于内部负载连接设计（图2）。负载连接在模块内执行各种任务，并按照不同任务的要求进行了优化：

(1)主端子和芯片之间的无焊接、低电感连接；
(2)适用于大逆变电流的大电流承载能力和低损耗特性；
(3)对称的电流路径，可在并联芯片之间提供良好的电流分配；
(4)压力点靠近芯片，使得热阻小。

图2 采用夹层设计并有大量触点引脚的主端子――输出电流为600Arms时端子温度的FEM仿真

通往每个芯片的电流路径相互平行的夹层结构保证了极低的内部电感值。DC连接和AC连接之间的螺丝所产生的电感LCE小于10nH，整体正负端子间电感之和小于20nH。

有限元分析表明，大多数电感由+/-DC连接的末端部分所导致。有了有限元仿真，可对设计进行优化，电感可减小30％（-10nH）。进一步的改善并不可行，因为为了提供强制的空隙和爬电距离，这里不能使用夹层结构。实现进一步减小电感的唯一方法是采用几个平行连接通往直流环节电路。

对用户来说，除其他之外，该设计的优势在于内部开关的过电压低，从而可以在相对较高的直流母线电压下运行，并能够实现安全关断，即使在发生短路时。无震荡的平滑开关过程确保了开关损耗和释放的干扰小。

改进的半导体允许在小尺寸上拥有越来越高的功率密度。600V SKiM®93的额定芯片电流是900A，接近标准模块的两倍。该电流值也超越了现有IGBT模块主端子允许电流的上限。SKiM®模块中所用的宽而厚的铜皮的总电阻rcc’-ee’（包括触点电阻）仅为300μ，这只是标准模块电阻值的一半。大的接触力保证了接触电阻小。虽然如此，产生的损耗迅速通过许多短小的触点耗散到冷却的DCB表面和散热片上。

在逆变器中，最大的电流通过交流端子。出于这个原因，交流端子位于夹层结构的最低点，因为这一点拥有最好的冷却性能。模块被设计为当散热器温度为70°C时，交流输出的有效电流为600A。该值远远高于预期的连续电流（见表1）。即使当半导体的损耗约为2000W时，端子的温度可保持在125°C以下（见图2）。

3 DCB布局

DCB的设计和芯片的位置对功率半导体的开关行为和热电阻具有重要的影响。不对称组件设计可以很容易导致10％或更多的非均匀分布电流。总输出电流受产生最大功耗的组件限制。

寄生电感上的压降导致并联芯片间存在不同的开关速度和振荡。为了确保平滑和同步开关，电感必须尽可能小，更重要的是对所有半导体芯片的影响必须相同。采用左右侧各配备一个IGBT且在中心配备一个续流二极管的设计可以保证这一点。IGBT和二极管之间的电流换流路径尽可能的短，并且对转换器半桥的顶部和底部开关来说具有相同的长度（参见图3）。

图3 顶部和底部开关的IGBT和续流二极管之间的电流换流路径

图4显示了600A和900V DC时SKiM®63模块的开关特性。顶部和底部IGBT的开关损耗、过电压和di/dt几乎相同。情况并非总是如此，事实上，在大多数情况下，存在明显的差异，这是由电流路径中不同寄生电感所导致的。

图4 两倍额定电流时底部IGBT的关断Ic(绿),VCE(蓝),VGE(棕)，在600A 900V DC,125°C时

同样，为确保组件的能力被充分利用，需要在并联芯片之间具有良好的电流分配