用于牽引驅(qū)動電源模塊的雙面冷卻架構(gòu)

這種雙面冷卻可實現(xiàn)更好的熱性能，從而實現(xiàn)更高的功率密度和效率。DSC 電源模塊通常在模塊的每一側(cè)使用銅板進行冷卻，它們還可能具有額外的功能，例如溫度感應(yīng)二極管和電流感應(yīng) IGBT。

圖一：DSC與單面電源模塊對比（：1）

單面冷卻模塊存在一些局限性，包括：

高寄生電感 （15-20 nH）

高熱阻 （0.1-0.8 K/W）

引線鍵合是一種主要的失效模式。

這些問題可以使用基于 DSC 的電源模塊來解決，該模塊具有以下特點：

低寄生電感（小于 10 nH）

熱阻降低高達 50%

無焊線，更可靠

延長壽命（按數(shù)量級）

增加電流能力和更高的功率密度。

多年來，阿肯色大學(xué)開發(fā)了不同架構(gòu)的DSC功率模塊，從直接焊錫連接的高壓功率模塊封裝（2012年）到多層LTCC基板堆疊功率模塊（2020年）。

建議的解決方案

UA Power Group 針對牽引驅(qū)動應(yīng)用提出的解決方案是集成 DSC 功率模塊，目標(biāo)功率密度為 100 kW/L。

擬議的設(shè)計（其分解圖如圖 2 所示）具有以下特點：

設(shè)計新穎：

金字塔形或45度垂直連接塊，提供散熱路徑

基于 LTCC 的中介層。該解決方案提供電氣隔離和機械強度，便于上下基板對齊

基于 LTCC / PCB 的交流電源端子，有助于電流感測

可靠的技術(shù)：

銀燒結(jié)

無焊線

綜合特點：

去耦電容

基于 SOI 或 SiC 的柵極驅(qū)動器

GMR 或霍爾效應(yīng)電流傳感器

溫度感應(yīng)器

圖 2：建議的 DSC 電源模塊解決方案的分解圖（：1）

底部包含焊接到 DBC 基板的 50 μm 銅金屬平面。頂部提供用于 SOIC-8 封裝焊接的金屬焊盤和用于引線鍵合到 PCB 的連接跡線。引入去耦電容器（參見圖 2）有助于顯著降低電源環(huán)路電感（1.5nH，相對于沒有電容器的設(shè)計的 11nH 電感）。此外，800V、160A 時的電壓過沖減少了 65%（60V 相對于 110V）并且器件應(yīng)力更小，從而實現(xiàn)更可靠的設(shè)計。

柵極驅(qū)動器可基于 XFAB 的 180 nm 絕緣體上硅 （SOI） CMOS 工藝構(gòu)建，具有系統(tǒng)保護功能，如有源米勒鉗位、過流檢測和欠壓鎖定。除了極低的柵極環(huán)路電感（小于 10 nH）外，該柵極驅(qū)動器的柵極驅(qū)動器管芯面積很小，約為 3.14 mm x 3.14 mm。對于高溫功率模塊（高達 175℃），可以集成基于碳化硅 （SiC） 的柵極驅(qū)動器。因此，柵極驅(qū)動器有兩種選擇：基于 SOI 或基于 SiC。

電流傳感器可以通過 GMR 電流傳感器（放置在載流導(dǎo)體頂部）或霍爾效應(yīng)電流傳感器（放置在載流導(dǎo)體附近）來實現(xiàn)。在這兩種情況下，傳感器都必須位于電源模塊的底部開關(guān)基板上（交流電位）。PCB 有助于路由來自 AC 端子的 I/O 信號。

底部開關(guān)基板上還放置了NTC溫度傳感器，需要離功率器件很近。PCB 將柵極驅(qū)動器、電流傳感器電路和溫度傳感器引腳路由到頂部開關(guān)柵極驅(qū)動器板上的 I/O 端子（見圖 2）。電流密度模擬表明，通過將電流傳感器放置在交流端子上，可以實現(xiàn)交流端子上和周圍的電流密度。

使用 SolidWorks 熱模擬器軟件對建議的設(shè)計進行了完整的熱模擬。建模的觸點組包括附件銀燒結(jié)膏（TC= 60 W/mK，50 μm）和熱界面材料（TC= 9.6 W/mK，0.5 mm），而結(jié)到環(huán)境的熱阻 （K/W）為 0.06 K/W。

應(yīng)用的邊界條件如下：

對流系數(shù)：10，000 W/m 2 K

環(huán)境溫度：65°C

每個芯片的估計功率損耗：120 W。

將六個建議的功率模塊集成到 200 kW 分段兩級三相逆變器中，并在 EV 系統(tǒng)中使用 PM 牽引電機，實現(xiàn)了 100 kW/L 的體積系統(tǒng)功率密度 （PD）。該值比用于帶 DSC 功率模塊的牽引驅(qū)動的體積 PD（約 30 kW/L）要好得多。