用于混合动力和电力驱动的逆变器
引言
据调查显示，目前正在投入使用的功率模块中有4%是用在汽车应用中。未来几年，这个市场预计将每年增长20%。用于混合动力和电力驱动的逆变器已经可以在货车、巴士和农用车以及汽车和赛车应用中见到其踪影。由于不同的应用领域有着不同的需求，所有情况下的主要关注点是为功率模块开发可靠的封装技术。如今最普遍的封装解决方案是有基板和无基板的焊接模块，以及最近采用烧结技术的无基板模块。这些封装技术有着不同的优点和缺点，这就是为什么使用寿命设计要求就混合动力和电动汽车应用的要求评估这些技术。例如在冷却水循环下，变化的环境温度是被动热循环的原因。此外，功率半导体中产生的功率损耗产生短暂的（5～20s）t=40℃～60℃的温升。这里，功率半导体被从70℃的冷却水温度加热到超过110℃～130℃，之后它们又回落到冷却水温度。由于所使用的材料有着不同的热膨胀系数，因此每一次的温度变化都会导致机械应力的产生。这是导致焊接和键合连接中材料疲劳的原因，并最终导致组件出现故障。
避免焊接连接
在采用压接技术的无基板模块中，有几种途径可用于提高模块的可靠性。通过不断避免焊接连接，焊接疲劳——这一功率模块的主要故障机理——是可以完全消除的。这里，芯片和绝缘dbc陶瓷基板上的焊接连接被一个高度稳定的烧结层所取代，采用压接技术进行导电连接。去除基板有许多好处：首先，可以减小模块与散热器之间导热涂层的厚度。导热涂层是功率模块中影响总热阻的主要因素之一，这就是为什么要用尽可能薄的导热涂层的原因。在有基板模块中，需要一个75～150μm的导热涂层以弥补基板的弯曲。在无基板模块中，要主要需要处理的问题是如何对散热片和dbc陶瓷基板表面的粗糙度进行补偿，这就是为什么一个20～30μm的导热涂层是足够的。去除基板意味着去掉了一个导致热应力的主要因素。
焊点的去除消除了焊料疲劳，这一功率模块中常见的故障机制。基板的去除也消除了大部分的热应力。40℃/125℃的加速被动热冲击测试表明，温度传导应力被有效地被减少了，可靠性大大增加：在无基板烧结模块情况下，可能的热冲击次数增加了15倍。去除焊接互连和基板的进一步优势在于，有基板模块中，焊接dbc基板的面积应减小到最低限度以减少焊点材料的疲劳；这里，基板的高导热确保了所需的热传播。相比之下，设计无基板模块时，dbc基板的面积就可以更大了，如图1所示。
优化热分布
下文着眼于三相400a、600v逆变器模块中igbt和续流二极管的定位。在有基板模块情况下，每个半导体开关用了两个200a的igbt和两个200a的续流二极管，如图2所示。因此，一个完整相包括四个igbt和四个续流二极管。用于无基板模块的优化排列是每个开关有四个100a的igbt和两个200a的续流二极管（每相有八个igbt和四个续流二极管）。这意味着，无基板三相模块的基区面积比有基板模块的约大10%左右。
相比之下，带有8个100aigbt和2个续流二极管的无基板skim模块的布局为优化热分布和散热采用了面积较大的dbc陶瓷基板。逆变器运行时，产生导通和开关损耗，这意味着功率半导体成为一个本地热源。在三维有限元计算的帮助下，可以计算出任何给定运行状态下逆变器模块和散热器中的热传播，如图3所示。例如，当混合动力或电动车辆加速时，大部分功率损失是产生在igbt上的，而续流二极管承受较低的负载。
负载条件：电池电压=350v、输出电流=250a、输出电压=220v、输出频率=50hz、开关频率=12khz，相位角cosf=0.85，冷却介质温度=70℃。这就是为什么在热成像图中，igbt的位置呈现为一个强烈的热源。在有基板模块情况下，热量集中在三相配置的中心。由于半导体紧密的定位和相间的短距离，igbt的温度在这一点是最高的。虽然在此运行状态下，续流二极管只承受中等的负载，igbt导致模块中心的续流二极管显著升温。相比之下，逆变器模块边缘的二极管温度要低15℃。尽管有底板，逆变器模块边缘区域的功率半导体模块的温度要远远低于模块中心的，最终导致三相的非均匀热分布：中间相igbt的平均热负载几乎比边上两相的igbt的平均温度高10℃。igbt温度的最高值和最低值相差超过20℃。中间相限制了整个逆变器模块的可用电功率。这会有两个后果：一方面，不得不选择冷却条件和负载，这样中心dbc基板的温度不至于过高；另一方面，温度传导的损伤机理对中间相有较强的影响。这意味着为逆变器功率电路的设计工程师应始终把中间相的温度因素包括进去。
在无基板skim模块中，热分布要均匀得多：这里，igbt的位置也呈现为一个强烈的热源。然而，由于热损耗分布在几个位置上，dcb基板之间的距离更大，拥有更多的空间用于散热。所产生的损耗可有效地消散，减少igbt和二极管之间的相互加热。最佳散热也确保在不同相上的均匀负载分布：功率逆变器三相间的igbt和二极管温度是均匀的，所有三相的igbt平均温度几乎是相同的。igbt之间的最大温差不超过10℃。负载分布均匀，使可用的制冷功率得到最佳利用，从而有利于整个系统的设计。除此之外，每个绝缘dbc陶瓷基板上的温度传感器允许每相单独评估，提供了额外的对运行温度进行控制的可能性。
温度与使用寿命
对于运行中逆变器的实际热负载，时变负载必须加以考虑。混合动力或电动汽车实际运行过程中，出现不同的负载状态：车辆加速过程中，igbt处于特别高的负载下，而减速过程中，进行能量回收，电机的电池重新充电，这时续流二极管处于最大负载下。为了描述逆变器模块的时变升温，也必须研究功率模块在0.1s～30s负载循环下的行为。对于两种配置，igbt的时变热阻都按照负载脉冲的宽度增加，如图4所示。热量开始从功率半导体沿着散热器的方向流动、扩散，导致整个模块升温。如果负载脉冲持续时间超过30s，模块将被充分加热，热阻不再增加。
时变热阻值现在可用来计算运行过程中半导体开关和阀上的热负载。要做到这一点，现实的负载周期，正如实际应用中会出现的那样，被用来模拟典型负载状态和负载脉冲宽度。让我们以混合动力汽车驱动周期为例，如图5所示。在最初的启动和加速阶段，能量来自电池并送入电机。在这些加速度阶段，输出功率可达到60kw。igbt的温度按照逆变器的输出升高到95℃。在恒速阶段只需很少的逆变功率，半导体的温度再次下降。在减速阶段，目标尽可能多地回收能量并反馈给电池。此时，igbt和二极管的功耗大致相同，而热量耗散正处于最高值，igbt的温度达到近110℃。
igbt的最大温升dt=40℃。从模块使用寿命方面来说，这相当于600万次负载循环，如图6所示。可以看出，均匀的温度分布对于逆变器使用寿命和设计来说是多么的重要，如果温度再升高10℃－dt=50℃可能的负载循环次数将降低3倍至200万次。为便于使用寿命设计和半导体的最佳利用，损耗的均匀分布是绝对必要的。
均匀的温度分布是必须的。10℃的温升使负载循环数降低3倍，20℃的温升能够使使用寿命缩短6倍。
总结
无基板烧结模块提供了一系列增强混合动力和电动汽车逆变器模块可靠性的可能性，由基板所导致的焊接和膨胀等不利因素被消除了。优化了的布局保证了运行期间整个功率半导体在很大程度上温度的均匀分布。这意味着，在预期使用寿命计算中可以平等地考虑三相，从而便于逆变器的设计。逆变器的可靠性得到了明显的改善，即使是在相当大的主动和被动温度波动下。许多不同的无基板烧结模块应用证实了这一点，例如电动汽车和公用车辆中的动力系统以及诸如赛车等要求苛刻的应用。
据调查显示，目前正在投入使用的功率模块中有4%是用在汽车应用中。未来几年，这个市场预计将每年增长20%。用于混合动力和电力驱动的逆变器已经可以在货车、巴士和农用车以及汽车和赛车应用中见到其踪影。由于不同的应用领域有着不同的需求，所有情况下的主要关注点是为功率模块开发可靠的封装技术。如今最普遍的封装解决方案是有基板和无基板的焊接模块，以及最近采用烧结技术的无基板模块。这些封装技术有着不同的优点和缺点，这就是为什么使用寿命设计要求就混合动力和电动汽车应用的要求评估这些技术。例如在冷却水循环下，变化的环境温度是被动热循环的原因。此外，功率半导体中产生的功率损耗产生短暂的（5～20s）t=40℃～60℃的温升。这里，功率半导体被从70℃的冷却水温度加热到超过110℃～130℃，之后它们又回落到冷却水温度。由于所使用的材料有着不同的热膨胀系数，因此每一次的温度变化都会导致机械应力的产生。这是导致焊接和键合连接中材料疲劳的原因，并最终导致组件出现故障。
避免焊接连接
在采用压接技术的无基板模块中，有几种途径可用于提高模块的可靠性。通过不断避免焊接连接，焊接疲劳——这一功率模块的主要故障机理——是可以完全消除的。这里，芯片和绝缘dbc陶瓷基板上的焊接连接被一个高度稳定的烧结层所取代，采用压接技术进行导电连接。去除基板有许多好处：首先，可以减小模块与散热器之间导热涂层的厚度。导热涂层是功率模块中影响总热阻的主要因素之一，这就是为什么要用尽可能薄的导热涂层的原因。在有基板模块中，需要一个75～150μm的导热涂层以弥补基板的弯曲。在无基板模块中，要主要需要处理的问题是如何对散热片和dbc陶瓷基板表面的粗糙度进行补偿，这就是为什么一个20～30μm的导热涂层是足够的。去除基板意味着去掉了一个导致热应力的主要因素。
焊点的去除消除了焊料疲劳，这一功率模块中常见的故障机制。基板的去除也消除了大部分的热应力。40℃/125℃的加速被动热冲击测试表明，温度传导应力被有效地被减少了，可靠性大大增加：在无基板烧结模块情况下，可能的热冲击次数增加了15倍。去除焊接互连和基板的进一步优势在于，有基板模块中，焊接dbc基板的面积应减小到最低限度以减少焊点材料的疲劳；这里，基板的高导热确保了所需的热传播。相比之下，设计无基板模块时，dbc基板的面积就可以更大了，如图1所示。
优化热分布
下文着眼于三相400a、600v逆变器模块中igbt和续流二极管的定位。在有基板模块情况下，每个半导体开关用了两个200a的igbt和两个200a的续流二极管，如图2所示。因此，一个完整相包括四个igbt和四个续流二极管。用于无基板模块的优化排列是每个开关有四个100a的igbt和两个200a的续流二极管（每相有八个igbt和四个续流二极管）。这意味着，无基板三相模块的基区面积比有基板模块的约大10%左右。
相比之下，带有8个100aigbt和2个续流二极管的无基板skim模块的布局为优化热分布和散热采用了面积较大的dbc陶瓷基板。逆变器运行时，产生导通和开关损耗，这意味着功率半导体成为一个本地热源。在三维有限元计算的帮助下，可以计算出任何给定运行状态下逆变器模块和散热器中的热传播，如图3所示。例如，当混合动力或电动车辆加速时，大部分功率损失是产生在igbt上的，而续流二极管承受较低的负载。
负载条件：电池电压=350v、输出电流=250a、输出电压=220v、输出频率=50hz、开关频率=12khz，相位角cosf=0.85，冷却介质温度=70℃。这就是为什么在热成像图中，igbt的位置呈现为一个强烈的热源。在有基板模块情况下，热量集中在三相配置的中心。由于半导体紧密的定位和相间的短距离，igbt的温度在这一点是最高的。虽然在此运行状态下，续流二极管只承受中等的负载，igbt导致模块中心的续流二极管显著升温。相比之下，逆变器模块边缘的二极管温度要低15℃。尽管有底板，逆变器模块边缘区域的功率半导体模块的温度要远远低于模块中心的，最终导致三相的非均匀热分布：中间相igbt的平均热负载几乎比边上两相的igbt的平均温度高10℃。igbt温度的最高值和最低值相差超过20℃。中间相限制了整个逆变器模块的可用电功率。这会有两个后果：一方面，不得不选择冷却条件和负载，这样中心dbc基板的温度不至于过高；另一方面，温度传导的损伤机理对中间相有较强的影响。这意味着为逆变器功率电路的设计工程师应始终把中间相的温度因素包括进去。
在无基板skim模块中，热分布要均匀得多：这里，igbt的位置也呈现为一个强烈的热源。然而，由于热损耗分布在几个位置上，dcb基板之间的距离更大，拥有更多的空间用于散热。所产生的损耗可有效地消散，减少igbt和二极管之间的相互加热。最佳散热也确保在不同相上的均匀负载分布：功率逆变器三相间的igbt和二极管温度是均匀的，所有三相的igbt平均温度几乎是相同的。igbt之间的最大温差不超过10℃。负载分布均匀，使可用的制冷功率得到最佳利用，从而有利于整个系统的设计。除此之外，每个绝缘dbc陶瓷基板上的温度传感器允许每相单独评估，提供了额外的对运行温度进行控制的可能性。
温度与使用寿命
对于运行中逆变器的实际热负载，时变负载必须加以考虑。混合动力或电动汽车实际运行过程中，出现不同的负载状态：车辆加速过程中，igbt处于特别高的负载下，而减速过程中，进行能量回收，电机的电池重新充电，这时续流二极管处于最大负载下。为了描述逆变器模块的时变升温，也必须研究功率模块在0.1s～30s负载循环下的行为。对于两种配置，igbt的时变热阻都按照负载脉冲的宽度增加，如图4所示。热量开始从功率半导体沿着散热器的方向流动、扩散，导致整个模块升温。如果负载脉冲持续时间超过30s，模块将被充分加热，热阻不再增加。
时变热阻值现在可用来计算运行过程中半导体开关和阀上的热负载。要做到这一点，现实的负载周期，正如实际应用中会出现的那样，被用来模拟典型负载状态和负载脉冲宽度。让我们以混合动力汽车驱动周期为例，如图5所示。在最初的启动和加速阶段，能量来自电池并送入电机。在这些加速度阶段，输出功率可达到60kw。igbt的温度按照逆变器的输出升高到95℃。在恒速阶段只需很少的逆变功率，半导体的温度再次下降。在减速阶段，目标尽可能多地回收能量并反馈给电池。此时，igbt和二极管的功耗大致相同，而热量耗散正处于最高值，igbt的温度达到近110℃。
igbt的最大温升dt=40℃。从模块使用寿命方面来说，这相当于600万次负载循环，如图6所示。可以看出，均匀的温度分布对于逆变器使用寿命和设计来说是多么的重要，如果温度再升高10℃－dt=50℃可能的负载循环次数将降低3倍至200万次。为便于使用寿命设计和半导体的最佳利用，损耗的均匀分布是绝对必要的。
均匀的温度分布是必须的。10℃的温升使负载循环数降低3倍，20℃的温升能够使使用寿命缩短6倍。
总结
无基板烧结模块提供了一系列增强混合动力和电动汽车逆变器模块可靠性的可能性，由基板所导致的焊接和膨胀等不利因素被消除了。优化了的布局保证了运行期间整个功率半导体在很大程度上温度的均匀分布。这意味着，在预期使用寿命计算中可以平等地考虑三相，从而便于逆变器的设计。逆变器的可靠性得到了明显的改善，即使是在相当大的主动和被动温度波动下。许多不同的无基板烧结模块应用证实了这一点，例如电动汽车和公用车辆中的动力系统以及诸如赛车等要求苛刻的应用。
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