碳化硅陶瓷基板用于高溫汽車應(yīng)用的低電感功率模塊

如今碳化硅陶瓷基板，在功率模塊下高溫汽車逆變器應(yīng)用中提供出色的熱性能和高可靠性。與傳統(tǒng)的引線鍵合功率模塊相比，卓越的開關(guān)性能降低了開關(guān)的損耗性，因此可以延長電動汽車的續(xù)航里程，從而降低對系統(tǒng)的成本。

迄今為止，低溫共燒陶瓷（LTCC）很少用于電力電子領(lǐng)域，但其獨特的物理特性與Si、SiN和SiC完美的匹配。此處，LTCC使3D多層布線功率模塊結(jié)構(gòu)成為可能，在高溫應(yīng)用中提供低開關(guān)損耗、出色的熱性能和可靠性。

在空腔的深度與使用的碳化硅MOSFET（半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）的高度相匹配如圖1.1所示。因此，可以將SiC MOSFET燒結(jié)到空腔中，將MOSFET燒結(jié)到空腔中后，碳化硅MOSFET和LTCC之間的剩余空間填充有底部填充物，以確保功能隔離如圖1.2所示。

然后，通過將帶有芯片的LTCC燒結(jié)或焊接到Si3N4-AMB陶瓷基板上，可以實現(xiàn)具有良好熱性能的芯片背面接觸如圖1.3所示。與其它陶瓷基板相比，碳化硅陶瓷基板提供了最佳的機械穩(wěn)健性以及出色的導(dǎo)熱性，是需要高可靠性和高功率密度應(yīng)用的合理選擇。所得陶瓷組件內(nèi)的材料在熱膨脹系數(shù)（CTE）方面非常匹配。因此，期望在高工作溫度下具有高可靠性。

將Si3N4底部焊接到3D打印的鋁散熱器（如圖2.1所示）完成了熱路徑。但這種散熱器很特別如圖3所示，它從冷卻器表面到冷卻劑的熱路徑極短。冷卻器表面和冷卻劑之間只有0.5毫米的3D打印鋁材料。

從SiC MOSFET結(jié)到冷卻劑的總熱阻測得為0.8K/W每芯片，這種陶瓷基板組件能夠在比150℃高的溫度下工作，例如在電機逆變器中也可以在LTCC中建立散熱通孔，以實現(xiàn)雙面冷卻。

但在試驗的案例中，我們利用了LTCC的另一個優(yōu)勢：可以將SMD元件直接放置在頂側(cè)表面上。因為，我們直接在LTCC上放置了一個直流鏈路RC緩沖器和非隔離式柵極驅(qū)動器電路。兩者的組件也能夠在150℃下工作如圖2.2所示，因此我們在電源模塊內(nèi)有一個完整的開關(guān)單元，電源模塊滿足快速無振蕩切換所需的兩個關(guān)鍵電磁條件。第一個條件是初級直流鏈路電感如圖4所示中的黃色回路。

開關(guān)單元回路跨越兩個半導(dǎo)體、初級直流鏈路電容器和阻尼電阻器。LTCC頂部的阻尼直流鏈路構(gòu)建了一個3D毫米寬的超平坦開關(guān)單元回路。結(jié)果，開關(guān)單元電感小于1nH其他直流鏈路電阻器通過LTCC與熱通孔直接連接到碳化硅襯底。因此，它們在開關(guān)時刻吸收了開關(guān)單元內(nèi)的大部分諧振電路能量，從而降低了半導(dǎo)體中的熱應(yīng)力?？焖俸蜔o振蕩開關(guān)所需的第二個條件是低柵極電感。一個非隔離式柵極驅(qū)動器電路直接放置在功率模塊上靠近半導(dǎo)體，將柵極電感如圖4所示降低到5nH以下，這確保了無寄生導(dǎo)通的開關(guān)并減少了振蕩。

將這樣的核心集成到系統(tǒng)中并非易事，需要基本絕緣和低電感大電流連接。填充有標準的硅膠的塑料框架如圖2.3所示可調(diào)整陶瓷組件相對于PCB的位置。并確?；靖綦x。

低電感大電流連接器采用0.3mm扁平多觸點彈簧連接器，這些降低了PCB上200F次級直流鏈路箔電容器與電源模塊頂部RC緩沖器之間連接的雜散電感。這些連接的低電感對于快速開關(guān)性能至關(guān)重要，因此我們只有8.4nH的次級直流鏈路電感如圖4所示中的藍色環(huán)路所示。

總而言之，帶腔體的LTCC使我們能夠構(gòu)建適合高工作溫度的碳化硅陶瓷基板CTE匹配組件。高熱性能是通過從結(jié)到焊接層、氮化硅陶瓷和0.5毫米薄的3D打印鋁散熱器的超短熱路徑實現(xiàn)的。

超低直流回路電感，由于直流回路RC緩沖器直接放置在電源模塊上，低電感系統(tǒng)集成可實現(xiàn)快速且無振蕩的電源模塊切換。低柵極阻抗確保無寄生開啟和低開啟損耗，基于LTCC的電源模塊提供的功率足以為150kw電機逆變器供電。該功率模塊在高速開關(guān)方面樹立了標準，并結(jié)合了低熱阻和高工作溫度。

審核編輯：湯梓紅