电驱逆变器SiC功率模块芯片级热分析

I.媒介

电驱逆变器是业界公认的混动车和电动车的焦点部件，从最后的几十千瓦，到现在的数百千瓦，它们对额外功率的请求越来越高。中高功率逆变器请求功率模块的标称电流高达数百至数千安培。只能经由过程并联多个裸片，偶然并联多个子模块(在同一个封装基板上集成多个裸片)，以至多个功率模块，能力达到云云高的电流[1]。

在这类情况下，分量、尺寸和成本是限制功率模块设想的首要要素。最后应用IGBT设想的三相半桥逆变器解决计划曾经异常遍及，今朝接纳功能更高的功率模块设想逆变器是一种新趋势。功率模块设想一般为热功能和电功能之间的掂量与调和。设想精良的功率模块，可以或许在上下桥臂开关管之间以及开关管外部裸片之间平衡调配电流，条件是它们的动态参数差别不大。另外，精良的电路结构意味着，惟独裸片之间互热效应正当，热应力能力漫衍平衡[1]。

本文先容一个电驱逆变器模块继续事情测温体系的开辟步调和进程，并阐发了影响功率模块应用寿命的并联碳化硅裸片之间的热失衡征象。电路结构惹起的寄生元件和动态参数（比方，通态电阻和阈值电压）是惹起并联器件热失衡的首要要素。论文[2]中细致阐述了电路结构的不对称性，它会影响栅极到源极环路，惹起串连电感，并致使驱动环路不立室，从而紧张影响并联器件的静态功能。

论文[3]中描绘了若何经由过程红外热像仪图象阐发功率模块在稳态下的热失衡题目。尽管通态电阻漫衍局限是一个首要的动态参数，然则电阻与温度的瓜葛将会赔偿通态电阻的漫衍局限。事实上，芯片升温将会加重漏源通态电阻天然漫衍局限惹起的热失衡征象。

本文将重点接头另一个关头参数：阈值电压 (Vth)，它对开关的导通和关断功能影响很大，从而影响功率开关的能量消耗。 两个并联芯片之间的阈压 Vth 差会致使能耗失衡，终究影响全部功率模块的功能。论文[4]细致地描绘了 Vth 对开关能耗的影响，证实当 Vth 降低 500mV时，导通状况耗散功率升幅大概高达 40%。

依据这个论据，咱们认为有需要创建一个可以或许在失常事情条件下间接丈量开关温度的测温体系，以评价和表征功率模块内分歧裸片的散热功能。不但在生产线上设法最大限度缩窄工艺的参数漫衍局限，包孕阈压 Vth的漫衍局限，还需要根据模块内间隔比来的两个芯片之间的渺小差别，在模块组装层面采用进一步的改良行径。咱们应用这一观点组装了两个分歧的功率模块：第一个模块叫做 GAP1，外部裸片阈压Vth的最大漫衍局限是250mV（环抱平均值+/- 125mV），第二个模块叫做GAP2，Vth的最大变迁局限是 500mV（环抱平均值+/-250mV）。接纳两个分歧的开关频次举行测试：电驱逆变器的典范事情频次8kHz和12kHz。众所周知，耗散功率的增添与开关频次成正比。

A.试验装配

咱们的首要目的是设想开辟一个温度丈量体系，使咱们可以或许在更靠近电驱逆变器的实践使用环境中丈量功率芯片的温度。是以，必需从适宜的机器部件以及液压、电气和电子组件开端，使所有组件都指向上述目的。下图是已完成的终究温度测试体系的框图。

图1：残缺的测温体系 – 框图

测温体系的液压部份是由冷水机、进水阀、出水阀构成，冷却液在液压管道内轮回固定，为被测温装配散热。进水阀温度和流量以及水套（水箱）的表面尺寸是抉择逆变器尺寸的首要参数，由于它们间接影响封装的RTH热阻率。冷却液是乙二醇和水的50%-50%混合物，这是变频冷却器回路中常见的冷却液配制要领。为了丈量冷却液的流量，在被测温装配后面连贯一个流量计，在咱们的试验中，冷却液流量设为每分钟 3.7 升。接纳温度计检测功率模块进水阀的冷却液温度什么时候达到65℃的参考温度。铝制散热器为功率模块散热，功率模块的栅极旌旗灯号由特地的栅极驱动板供应。图 2 是测温试验配置。

图2：试验装配

上面是设置装备摆设清单

表1：测试设置装备摆设

B.被测温设置装备摆设和栅极驱动板设想

咱们在一个继续高频事情的碳化硅三相功率模块上举行热阐发。特别是，把功率模块的旁边桥臂断开，将桥臂U 和桥臂 W的交换端子连贯1.2mH 的电感负载，取得一个全桥拓扑（图 3）。

图3：半桥等效电路

若何经由过程多层布局完成驱动模块是在开辟测温体系时需求重点思量的一个要素。第一级（电源）应用DC-DC升压转换器供应+18V和5V电压，这是开关操纵所需的电源。第二级（主板）包括驱动器和通断电阻，用于驱动电荷注入栅源极电容器，以避免在开关过程当中达到器件的击穿电压。下图是这些板的 3D 模子。

最初一级是由 Nucleo STM32 微控制器板完成的操纵模块。该模块接纳单极 PWM 操纵要领，用沟通旌旗灯号驱动两个对角线上的开关。互补旌旗灯号及所需的死区时候用于驱动第二对角线上的功率开关。依据负荷工况和实践事情前提，配置 PWM 旌旗灯号的占空比，以取得峰值电流达到设想请求的正弦电流波形。图 4所示是 PWM 互补旌旗灯号和负载电流 (460 A Imax) 的相干波形。

图4. PWM驱动旌旗灯号和负载电流

栅极驱动板安装在功率模块下面，如上图所示。两块板子是金字塔外形和互补布局，经由过程排针插接在一路，以最大限度地缩小走线间隔、驱动板上的寄生元件和旌旗灯号传布耽误。

鄙人图中，能够看到所应用的测试对象以及直流母线和微控制器板。由于高频电流会流经汇流排，以是，在设想阶段应分外注重汇流排的精确尺寸。板上有两个开孔，便利咱们间接视察被测芯片，并用红外热像仪丈量结温 (TJ) 。

图6: 电气体系概述

被测温SiC功率模块特点以下：25℃时通态电阻典型值RdsON=1.9m每一个开关），标称电流Iphase=340A，击穿电压Vb=1200V。 图 7 所示是全桥转换器的一个每一个开关都是由八个并联构成鄙人图中咱们能够看到被测温器件外部电路结构肯定构成上下桥臂开关的八个地位。

图7: 被测器件电路结构

C. 并联芯片间的阈压差对温度不平衡的影响

测试电压和电流分别是 400V 母线电压和 200Hz 340 Arms 正弦相电流应用8kHz和12kHz 两种开关频次测试分歧耗散功率时的热失衡征象[3]。

温度丈量目标是量化全桥 32 个芯片中温度最高和最低的芯片之间的温差比拟GAP 1 模块和GAP 2 模块沟通开关频次条件下的散热功能。

值得一提的是，为了试验装配丈量准确度达到请求，对FLIR E-76热像仪进行了预表征丈量进程触及首要参数包孕装置地位角度，以及外貌资料内部光芒前提相干的发射系数。在 50°C 至 175°C的稳态温度范围内经由过程热板给功率模块加热举行校准最初比较热板温度设定值查抄NTC 读数，确保两者同等惟独实现试验装配校准开端拍摄图象。图 8 和图 9 所示是GAP 1 模块在开关频次 12kHz时的红外图象，同时给出了开关内每一个芯片的结温测量值。

图8： 桥臂U在8kHz时的红外图象

下图是桥臂W在开关频次12 kHz时的红外图象。

图9: 桥臂W 在12kHz时的红外图象

在GAP2 模块异样的测温试验。图中下面的八颗裸片属于上桥臂开关上面的八颗裸片属于下桥臂开关。在 8kHz 和 12kHz开关频次条件下，分别对GAP 1 模块和GAP 2模块进行了温度阐发。下表汇总丈量阐发效果，报告了每一个步调测得的最大温度和最小温度。

表二：测试效果

在GAP 1 模块中，温度最高和最低芯片的温差，在 8kHz 时为 4.4 °C，在 12kHz 时为 4.6依据选型规范抉择 Vth 的GAP 2模块中，8kHz 时的热增量为 6.3 °C， 12kHz 时为8.7 °C。

D.论断

测试注解，减小并联芯片能够极大地下降芯片之间的温差另外跟着开关频次进步经由过程减小体式格局下降温差要领变得加倍无效，特别是，在测试中，温差在 8kHz 时降低了 25%，在开关频次为 12kHz 时降低了近 50惹起开关耗散功率要素包孕 Eon、Eoff 和二极管反向复原消耗，当然另有开关频次试验效果来看关于给定的选型规范进步开关频次下降温差要领无论若何不如下降漫衍局限无效因为丈量过程当中存在许多手艺题目此中包孕总线过热和电源电压纹波是以无奈在上一代典范标称电池电压下施行测试。预计这将会扩充温差是以，从选型规范或器件局限开端可以或许展望结温热不平衡的数学模子异常赞助 。

参考文献

A. Sitta, G. Mauromicale, V. Giuffrida, A. Manzitto, M. Papaserio, D. Cavallaro, G. Bazzano, M. Renna, S.A. Rizzo, M. Calabretta -

Paralleling Silicon Carbide MOSFETs in Power Module for Traction Inverters: a Parametric Study

Szymon Bęczkowski, Asger Bjørn Jørgensen, Helong Li, Christian Uhrenfeldt, Xiaoping Dai, Stig Munk-Nielsen - Switching current imbalance mitigation in power modules with parallel connected SIC MOSFETs I. S. Jacobs and C. P. Bean, “Fine particles, thin films and exchange anisotropy,” in Magnetism, vol. III, G. T. Rado and H. Suhl, Eds. New York: Academic, 1963, pp. 271–350.

Diane-Perle Sadik, Juan Colmenares, Dimosthenis Peftitsis, Jang-

Kwon Lim, Jacek, Rabkowski and Hans-Peter Nee “Experimental investigations of static and transient current sharing of parallel-connected Silicon Carbide MOSFETs”

Antonia Lanzafame, Vittorio Giuffrida “Improving Switching Performance in SiC Power Modules by Better Balancing Gate Threshold Voltage Differences”

Calabretta, Michele & Sitta, Alessandro & Oliveri, Salvatore & Sequenzia, Gaetano. (2021). Silicon Carbide Multi-Chip Power Module for Traction Inverter Applications: Thermal Characterization and Modeling, 1982].