如何冷卻電源模塊，采用雙面間接冷卻還是單面直接冷卻？

作者：John Mookken，Udaykumar Vangaveti

近年來，電動汽車（EV）的銷售增長對功率半導(dǎo)體模塊產(chǎn)生了巨大的需求。電源控制單元（PCU）是EV中的主要子系統(tǒng)之一。它由電源模塊（當(dāng)前為大功率IGBT），電容器組和柵極驅(qū)動器以及許多其他組件組成。大多數(shù)電動汽車或混合電動汽車（HEV）制造商都在使用大功率IGBT模塊，該模塊約占功率控制單元成本的40％。新型先進(jìn)的電動汽車需要功率密度高，可靠性高且成本較低的電源模塊。

圖1：底部帶有針狀鰭片結(jié)構(gòu)的單側(cè)直接冷卻6-pak模塊（左）與安森美半導(dǎo)體的新型VE-TracTM雙側(cè)冷卻半橋模塊（用于電動牽引驅(qū)動器的雙電源模塊）相比。

設(shè)計人員在PCU中使用電源模塊時面臨的一大挑戰(zhàn)是弄清楚如何冷卻電源模塊。冷卻電源模塊的最常用方法之一是直接冷卻具有集成針腳-翅片結(jié)構(gòu)的6-pak模塊。但是，采用半橋配置的新型電源模塊可在模塊的兩側(cè)進(jìn)行間接冷卻（請參見圖1中的比較）[1]。通過直接冷卻，冷卻介質(zhì)（例如50/50的水/乙二醇混合物）與功率模塊直接接觸。通過間接冷卻，模塊將連接至密封的散熱器，該散熱器將通過液體進(jìn)行主動冷卻。液體未與模塊直接接觸（請參見圖2中的插圖）。但是對于間接冷卻，必須在散熱器和模塊之間使用熱界面材料（TIM）。TIM的導(dǎo)熱性不如金屬，因此在從半導(dǎo)體器件到液體冷卻介質(zhì)的熱流路徑中會產(chǎn)生“阻塞點(diǎn)”。如果模塊直接冷卻，則無需TIM。不難發(fā)現(xiàn)，如果所有條件都相同，那么直接冷卻比間接冷卻是一種更好的冷卻模塊的方法。

圖2：圖示了直接冷卻和間接冷卻的電源模塊的熱流路徑。

但是，如果電源模塊提供雙側(cè)冷卻，則它的面積大約是與冷卻器接觸的面積的兩倍。這產(chǎn)生了從半導(dǎo)體器件到冷卻液的兩條熱路徑。這自然會引出一個問題，即哪種方法更好？對于相同尺寸的半導(dǎo)體器件，最好采用雙面間接冷卻還是單面直接冷卻？

雙面冷卻模塊的基本結(jié)構(gòu)和示意圖如圖3所示。DSC（雙面冷卻）模塊在主IGBT芯片上配有溫度感測二極管和電流感測IGBT。該溫度感應(yīng)二極管的目的是監(jiān)視IGBT的結(jié)溫，而電流感應(yīng)IGBT用于測量開關(guān)期間的芯片電流。

圖3：半橋雙側(cè)冷卻電源模塊的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)

使用熱雙界面方法（TDIM）[2]，可以從結(jié)構(gòu)函數(shù)分析中提取熱堆疊中每一層的熱阻。由于DSC模塊的結(jié)構(gòu)，這是進(jìn)行測量的唯一實(shí)用且最簡單的方法。

DSC模塊的直接鍵合銅隔離（DBC）陶瓷基板由Al2O3制成，大型金屬墊片提供了機(jī)械支撐，并提供了更好的IGBT和二極管散熱性能。安森美半導(dǎo)體的新型VE-TracTMDSC模塊具有750V的阻斷電壓能力和800 A的連續(xù)集電極電流。模塊的最大連續(xù)結(jié)溫為175°C。由于模塊不是傳統(tǒng)的硅膠填充設(shè)計，而是使用硬質(zhì)環(huán)氧樹脂模塑料且不包含引線鍵合，因此這是可能的。DSC模塊的雙面冷卻散熱器如圖4所示。

圖4：定制的散熱器，設(shè)計用于分隔入口流以冷卻電源模塊的兩側(cè)

該雙面散熱器的頂部和底部均采用Pin Fin結(jié)構(gòu)，這大大提高了DSC模塊的熱性能。為了減少系統(tǒng)中的壓降，刪除了模塊之間的針翅結(jié)構(gòu)。

DSC模塊采用半橋配置，由IGBT和面積分別為231 mm2和116 mm2的反并聯(lián)快速恢復(fù)二極管（FRD）組成。為了進(jìn)行這項(xiàng)研究，選擇了來自不同批次的幾個DSC模塊。

將DSC模塊安裝到液體冷卻的散熱器上，模塊兩側(cè)均帶有熱界面材料（TIM），將1 NM的夾緊扭矩施加到散熱器的固定螺釘上，以確保模塊與散熱器之間的良好熱接觸。選擇的TIM材料是霍尼韋爾PTM 7000，它是具有6.5 W / mK導(dǎo)熱率的相變材料。在高于45°C的溫度下，TIM材料的接觸電阻較低，這可以通過加熱水冷套管來實(shí)現(xiàn)（在60°C下從外部（包括DSC模塊）放置1小時。TIM材料在60°C時從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。為了測量IGBT或二極管的熱阻，將250 A的加熱電流和100 mA的感應(yīng)電流（IM）施加到被測器件（DUT），直到達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)條件（30sec） 。在加熱階段，將監(jiān)控集電極發(fā)射極電壓降，該電壓降可用于計算IGBT或二極管的加熱功率。一旦模塊達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)條件，加熱電流就會關(guān)閉或減小到感應(yīng)電流IM的水平。MicRed Power測試儀記錄DUT的相應(yīng)電壓變化（Vce，Vf）。測量開始時的電氣干擾（電壓瞬變）已通過T3ster主軟件進(jìn)行了糾正。然后，通過以下等式（1）和（2）將IGBT和二極管的冷卻瞬態(tài)曲線轉(zhuǎn)換為結(jié)溫：加熱電流將被關(guān)閉或減小到感應(yīng)電流IM的水平。MicRed Power測試儀記錄DUT的相應(yīng)電壓變化（Vce，Vf）。測量開始時的電氣干擾（電壓瞬變）已通過T3ster主軟件進(jìn)行了糾正。然后，通過以下等式（1）和（2）將IGBT和二極管的冷卻瞬態(tài)曲線轉(zhuǎn)換為結(jié)溫：加熱電流將被關(guān)閉或減小到感應(yīng)電流IM的水平。MicRed Power測試儀記錄DUT的相應(yīng)電壓變化（Vce，Vf）。測量開始時的電氣干擾（電壓瞬變）已通過T3ster主軟件進(jìn)行了糾正。然后，通過以下等式（1）和（2）將IGBT和二極管的冷卻瞬態(tài)曲線轉(zhuǎn)換為結(jié)溫：

其中PH是IGBT或二極管上的功耗，而TC是流體溫度。

在65℃的流體溫度和8l / min的流速下進(jìn)行測量，并通過循環(huán)冷卻器控制流體溫度。如前所述，為了使用JESD51-14標(biāo)準(zhǔn)[3]中解釋的TDIM方法評估Rth-JC，測量了兩條熱阻抗曲線（帶和不帶TIM）。使用和不使用TIM材料的溫度變化分別為25°C和45°C。使用和不使用TIM材料的相應(yīng)功率步長分別為200W和205.4W。Zth-JF可以通過以功率步長歸一化溫度變化來計算。IGBT的最終Zth-JF值為0.126 K / W。在相同條件下，二極管的阻抗曲線經(jīng)計算為0.19 K / W。TIM材料的使用降低了從外殼到散熱器的熱阻，因此，圖5所示的兩條阻抗曲線的轉(zhuǎn)移點(diǎn)為有效Rth-JC。隨著兩條曲線逐漸分開，很難定義曲線的確切發(fā)散點(diǎn)（請參見圖5）。T3ster主軟件使用兩種不同的方法來定義分離點(diǎn)。

圖5：帶和不帶TIM的電源模塊的比較Zth。兩條線分開的點(diǎn)表示模塊上DBC銅層的外邊緣。

為了更精確地定義分叉點(diǎn)，考慮了阻抗曲線的導(dǎo)數(shù)。下一步是用熱阻曲線的穩(wěn)態(tài)距離（Δθ）歸一化導(dǎo)數(shù)的差。由于歸一化差異中存在噪聲，因此需要指數(shù)擬合來估算有效Rth-JC。IGBT的“有效” Rth-JC將DSC中的兩條熱流路徑視為一條有效路徑，該路徑由DSC模塊中的頂部和底部熱流確定。使用導(dǎo)數(shù)增量法，測得的有效Rth-JC，IGBT為0.03 K / W，二極管為0.05 K / W。

IGBT和二極管的結(jié)構(gòu)函數(shù)（SF）是累積熱電容的總和，它是從結(jié)點(diǎn)到流體的累積熱阻的函數(shù)。結(jié)構(gòu)函數(shù)定義了從結(jié)到散熱器的每個單獨(dú)層的熱特性。如果材料的熱特性發(fā)生變化，SF就會開始偏離。兩個結(jié)構(gòu)函數(shù)（帶和不帶TIM）的累加差定義了Rth-JC值?？梢允褂肨3ster主軟件將阻抗曲線轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)函數(shù)。

每個單獨(dú)層的熱阻可以通過結(jié)構(gòu)函數(shù)中的斜率變化來定義。從IGBT的結(jié)構(gòu)功能來看，熱電容的增加表明材料體積被加熱，而熱阻的增加表明熱量從一層傳遞到另一層。

使用SF分析的IGBT和二極管的有效Rth-JC為0.03 K / W和0.05 K / W。兩種方法均產(chǎn)生一致的結(jié)果。

DSC模塊是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，即使使用更少的硅，我們也可以實(shí)現(xiàn)更好的熱性能。表1顯示了在相同的IGBT和二極管芯片面積下，DSC模塊與傳統(tǒng)的單側(cè)直接冷卻模塊的比較。應(yīng)該指出的是，即使硅面積減少了23％，IGBT管芯的熱阻也類似于單側(cè)直接冷卻模塊。如果使用二極管，則可在減少硅面積23％的情況下實(shí)現(xiàn)與單面直接冷卻模塊相同的熱性能。DSC模塊具有此處未評估的其他優(yōu)勢，例如，無鍵合封裝，可連續(xù)運(yùn)行的175°C器件結(jié)溫，無銅基板以及由于采用傳遞模塑封裝設(shè)計而降低了每kW成本。

表1.雙面間接冷卻和單面直接冷卻之間的熱性能比較。

結(jié)果還指出了功率模塊的未來方向。實(shí)施雙面直接冷卻可能是散熱效率更高的電源模塊的最佳解決方案。

想要查詢更多的信息：

[1]朱世武，李云，王彥剛，馬亞青，吳春東，焦明良，趙振龍和于軍，“先進(jìn)的雙面冷卻IGBT模塊和功率控制單元”，2017年國際集成功率封裝研討會

[2] D. Schweitzer，H。Pape和L. Chen，“使用結(jié)構(gòu)函數(shù)對結(jié)到外殼的熱阻進(jìn)行瞬態(tài)測量：機(jī)會和限制”，Proc。安努24日。IEEE半導(dǎo)體熱測量。管理。癥狀（SEMI-THERM），2008年3月，第191-197頁。

[3]瞬態(tài)雙接口測試方法，用于測量具有通過單路徑的熱流的半導(dǎo)體器件的熱阻結(jié)殼溫度，標(biāo)準(zhǔn)JESD51-14-JEDEC，JEDEC

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