雙側(cè)間接冷卻功率模塊比單側(cè)直接冷卻模塊具有優(yōu)勢

近年來，電動汽車（EV）銷量的增長催生了對功率半導(dǎo)體模塊的巨大需求。功率控制單元 （PCU） 是電動汽車中的主要子系統(tǒng)之一。它由功率模塊（目前為高功率 IGBT）、電容器組和柵極驅(qū)動器等許多其他組件組成。大多數(shù) EV 或混合 EV （HEV） 制造商都在使用高功率 IGBT 模塊，該模塊約占功率控制單元成本的 40%。更新、先進(jìn)的電動汽車需要具有高功率密度和可靠性以及低成本的電源模塊。

圖 1：與安森美半導(dǎo)體的新型雙側(cè)冷卻半橋模塊 VE-Trac TM Dual 系列電動汽車牽引驅(qū)動器功率模塊相比，底部具有針鰭結(jié)構(gòu)的單側(cè)直冷 6 組模塊（左）。

在 PCU 中使用電源模塊時，設(shè)計人員面臨的一大挑戰(zhàn)是弄清楚如何冷卻電源模塊。冷卻功率模塊最常見的方法之一是直接冷卻具有集成針翅結(jié)構(gòu)的 6 片模塊。然而，采用半橋配置的新型電源模塊在模塊兩側(cè)提供間接冷卻（參見圖 1 中的比較）［1］。對于直接冷卻，冷卻介質(zhì)（例如 50/50 水/乙二醇混合物）與功率模塊直接接觸。通過間接冷卻，模塊連接到密封的散熱器，該散熱器由液體主動冷卻。液體不與模塊直接接觸（參見圖 2 中的圖示）。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，因此會在從半導(dǎo)體器件到液體冷卻介質(zhì)的熱流路徑中形成“阻塞點”。如果模塊直接冷卻，則不需要 TIM。很容易看出，如果所有條件都相同，直接冷卻是比間接冷卻更好的模塊冷卻方式。

圖 2：顯示直接冷卻和間接冷卻功率模塊的熱流路徑的圖示。

但是，如果電源模塊提供雙側(cè)冷卻，則它與冷卻器接觸的面積大約是其兩倍。這會產(chǎn)生從半導(dǎo)體器件到冷卻液的兩條熱路徑。這自然引出了一個問題，即哪種方法更好？同樣尺寸的半導(dǎo)體器件采用雙面間接冷卻還是單面直接冷卻更好？

雙側(cè)冷卻模塊的基本結(jié)構(gòu)和原理圖如圖3所示。DSC（雙側(cè)冷卻）模塊在主IGBT芯片上帶有溫度檢測二極管和電流檢測IGBT。該溫度傳感二極管的目的是監(jiān)測 IGBT 結(jié)溫，電流傳感 IGBT 用于測量開關(guān)過程中的芯片電流。

圖3：半橋雙側(cè)冷功率模塊基本內(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)分析中提取熱疊層中每一層的熱阻。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，大金屬墊片為 IGBT 和二極管提供機械支撐和更好的散熱。來自安森美半導(dǎo)體的新型 VE-Trac TM DSC 模塊具有 750V 的阻斷電壓能力和 800A 的連續(xù)集電極電流。該模塊的最大連續(xù)結(jié)溫為 175°C。這是可能的，因為該模塊不是傳統(tǒng)的硅凝膠填充設(shè)計，而是使用硬環(huán)氧模塑料并且不含引線鍵合。DSC 模塊的雙側(cè)冷卻散熱器如圖 4 所示。

圖 4：定制散熱器設(shè)計用于分流入口流以冷卻電源模塊的兩側(cè)

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

DSC 模塊采用半橋配置，由 IGBT 和反并聯(lián)快速恢復(fù)二極管 （FRD） 組成，面積分別為 231 mm2 和 116 mm2。在本次調(diào)查中，我們選擇了不同批次的多個 DSC 模塊。

DSC 模塊安裝在液冷散熱器上，模塊兩側(cè)均帶有熱界面材料 （TIM），對散熱器夾緊螺釘施加 1 NM 的夾緊扭矩，以確保模塊與散熱器之間良好的熱接觸。選用的 TIM 材料是 Honeywell PTM 7000，它是一種相變材料，熱導(dǎo)率為 6.5 W/mK TIM 材料在 45°C 以上的溫度下接觸電阻很低，這可以通過加熱水冷套來實現(xiàn)（包括 DSC 模塊）在 60°C 下外部保持 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 或二極管的熱阻抗，將 250 A 的加熱電流和 100 mA （IM） 的檢測電流施加到被測器件 （DUT），直到它達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)條件（30 秒） 。 在加熱階段，監(jiān)測集電極發(fā)射極壓降，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)閉或降低到檢測電流 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）由 T3ster 主軟件校正。IGBT 和二極管的冷卻瞬態(tài)曲線然后通過以下等式 （1） 和 （2） 轉(zhuǎn)換為結(jié)溫：加熱電流被關(guān)閉或降低到檢測電流 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）由 T3ster 主軟件校正。IGBT 和二極管的冷卻瞬態(tài)曲線然后通過以下等式 （1） 和 （2） 轉(zhuǎn)換為結(jié)溫：加熱電流被關(guān)閉或降低到檢測電流 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）由 T3ster 主軟件校正。IGBT 和二極管的冷卻瞬態(tài)曲線然后通過以下等式 （1） 和 （2） 轉(zhuǎn)換為結(jié)溫：

其中 PH 是 IGBT 或二極管上的功耗，TC 是流體溫度。

測量在 65°C 的流體溫度和 8 l/min 的流速下進(jìn)行，流體溫度由循環(huán)冷卻器控制。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（有和沒有 TIM）。使用和不使用 TIM 材料的溫度變化分別為 25°C 和 45°C。有無TIM材料對應(yīng)的功率階躍為200W和205.4W。Zth-JF 可以通過對溫度隨功率階躍的變化進(jìn)行歸一化來計算。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，所以圖 5 所示的兩條阻抗曲線的分流點是有效 Rth-JC。由于兩條曲線逐漸分開，因此很難定義曲線的確切發(fā)散點（見圖 5）。T3ster master 軟件使用兩種不同的方法來定義分離點。

圖 5：帶有和不帶有 TIM 的電源模塊的比較 Zth。兩條線分叉的點代表模塊上DBC銅層的外緣。

為了更精確地定義發(fā)散點，考慮了阻抗曲線的導(dǎo)數(shù)。下一步是用熱阻抗曲線的穩(wěn)態(tài)距離 （Δθ） 對導(dǎo)數(shù)的差異進(jìn)行歸一化。由于歸一化差異中的噪聲，需要指數(shù)擬合來估計有效 Rth-JC。IGBT 的“有效”Rth-JC 將 DSC 中的兩條熱流路徑視為由 DSC 模塊中的頂部和底部熱流確定的一條有效路徑。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）是作為從結(jié)到流體的累積熱阻的函數(shù)的累積熱電容的總和。結(jié)構(gòu)函數(shù)定義了從結(jié)到散熱器的每一層的熱特性。如果材料的熱特性發(fā)生變化，則SF開始偏離。兩個結(jié)構(gòu)函數(shù)（有和沒有TIM）的累積差定義了Rth JC值。阻抗曲線可以通過T3ster master軟件轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)函數(shù)。

每個單獨層的熱阻可以通過結(jié)構(gòu)函數(shù)的斜率變化來定義。從IGBT的結(jié)構(gòu)功能來看，熱容的增加表明材料體積被加熱，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。這兩種方法都會產(chǎn)生一致的結(jié)果。

DSC 模塊是一種具有成本效益的解決方案，即使使用較少的硅，我們也可以獲得更好的熱性能。表1顯示了相同IGBT和二極管芯片面積的DSC模塊與傳統(tǒng)單側(cè)直冷模塊的比較。需要指出的是，即使硅面積減少 23%，IGBT 管芯的熱阻抗也與單側(cè)直冷模塊相似。在二極管的情況下，可以在硅面積減少 23% 的情況下實現(xiàn)與單側(cè)直冷模塊相同的熱性能。DSC 模塊具有此處未評估的其他優(yōu)勢，例如無引線鍵合封裝、175?C 器件結(jié)溫可連續(xù)運行、無銅基板以及由于傳遞模塑封裝設(shè)計而降低了每千瓦成本。

表 1雙側(cè)間接冷卻與單側(cè)直接冷卻的熱性能對比。

結(jié)果還指出了電源模塊的未來發(fā)展方向。實施雙面直接冷卻可能是實現(xiàn)更高熱效率的電源模塊的最佳解決方案。

審核編輯：郭婷