如何提高器件和系統(tǒng)的功率密度

功率半導(dǎo)體注定要承受大的損耗功率、高溫和溫度變化。提高器件和系統(tǒng)的功率密度是功率半導(dǎo)體重要的設(shè)計目標(biāo)。我們一路追求單位芯片面積的輸出電流能力，實現(xiàn)方法是：

1.減小導(dǎo)通損耗和動態(tài)損耗

2.減小寄生電感，發(fā)揮芯片的開關(guān)速度

3.提高允許的最高工作結(jié)溫

4.降低結(jié)到殼的熱阻Rthjc

芯片技術(shù)的發(fā)展方向是降低導(dǎo)通損耗和動態(tài)損耗。封裝的發(fā)展方向減小寄生電感，允許芯片快速開關(guān)而不震蕩；提高封裝工藝的可靠性，提高功率周次和溫度周次，就是說提高器件結(jié)溫的同時也要保證器件的壽命，同時要提高散熱能力，降低結(jié)到殼的熱阻Rthjc。

在式子中可以看出，技術(shù)的進(jìn)步提高了Tvj，降低了Rthjc，這樣就允許器件承受更大的損耗Vce*Ic，也就是說允許芯片上的發(fā)熱量更大。

下面做一個有趣的對比，與太陽比功率密度。

英飛凌出場的是明星產(chǎn)品：

EconoDUAL?3，F(xiàn)F900R12ME7_B11，

900A 1200V IGBT7。

FF900R12ME7_B11的功率密度

第一種工況：

求解FF900R12ME7_B11 IGBT模塊在管殼溫度80度下，芯片的功率密度。把上式變形一下：

900A 1200V芯片在管殼溫度為80度下，允許的功耗為1549瓦，如果在直流情況下，不考慮動態(tài)開關(guān)損耗，Ptot=Vcesat*Ic，由于飽和壓降典型值在1.7V，這時器件集電極電流（沒有開關(guān)損耗）為911A左右。

由于900A IGBT芯片面積大約為6cm2，得出功率密度為：2.6*10?W/m2，這時IGBT7的芯片功率密度比火柴火焰高一個數(shù)量級，比電熨斗功率密度高9個數(shù)量級?。。?/p>

第二種工況短路：

把IGBT接在900V直流母線上，進(jìn)行第一類短路實驗。短路時母線電壓是900V，在8us內(nèi)，短路電流可達(dá)3200A以上，這時瞬時功率高達(dá)P=900V*3200A=2.88MW！?。?/p>

同理算出這時芯片的功率密度高達(dá)4.8*10? W/m2，這比太陽表面的功率密度5.0*10?W/m2還高2個數(shù)量級！?。?/p>

注：

1.一根火柴的質(zhì)量約為0.065g，木材的熱值約為1.2×107J/kg，假設(shè)火苗截面積100mm2，火柴15秒燒完。

2.人體運動發(fā)熱取中值200W，人體表面積按照許文生氏公式：體表面積（m2）=0.0061×身高（cm）+0.0128×體重（kg）-0.1529

IGBT的溫度

系統(tǒng)設(shè)計中IGBT的工作結(jié)溫普遍高于水的沸點100℃，設(shè)計目標(biāo)是150℃，瞬態(tài)高達(dá)175℃。在氫燃料電池的冷卻水泵中，驅(qū)動器中IGBT的冷卻液溫可能是95度，在這樣惡劣工作條件下，也要滿足車輛的行駛公里數(shù)和使用年限，對IGBT的可靠性和壽命要求很高

高功率密度的挑戰(zhàn)

由于電力電子系統(tǒng)設(shè)計中對功率半導(dǎo)體的工作溫度和功率密度要求非常高，這對于芯片工藝和封裝工藝設(shè)計和生產(chǎn)都是很大的挑戰(zhàn)。

焊接層

高溫和大幅的殼溫變化，會造成模塊焊接層的機械疲勞而分離，從而使得結(jié)到殼的熱阻Rthjc，增加，進(jìn)而失效。

綁定線

有了對比才知道IGBT芯片的功率密度如此之高，現(xiàn)在再來研究一下綁定線的設(shè)計規(guī)范和電流密度。

在模塊的數(shù)據(jù)手冊中有一個不太引人注目的參數(shù)，模塊引線電阻，即端子到芯片的電阻值RCC’+EE’，這阻值對于小電流模塊看起來損耗不算太大，但這時的綁定線的電流密度高達(dá)254A/mm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于家庭配電規(guī)范中銅線的電流密度6A/mm2。如果按照鋁線電流密度2.5A/mm設(shè)計900A模塊的引線就需要360mm2，這將是一個截面為60*60mm的鋁排。

如此高密度的電流反復(fù)流過綁定線，會造成綁定線機械應(yīng)力，使得綁定線開裂等機械損傷。

綁定線一頭是連接在IGBT芯片的金屬化層上，這是3.2um厚的AlSiCu材料，這連接點也是容易造成機械疲勞的薄弱環(huán)節(jié)，大的結(jié)溫變化會造成另一種失效機理是綁定線脫落。

IGC193T120T8RM 200A 1200V

芯片的數(shù)據(jù)手冊

封裝的效率

模塊引線電阻，即端子到芯片的電阻值RCC’+EE’，會造成的損耗，對于中大功率模塊是個不小的數(shù)值。

EconoDUAL?3 FF900R12ME7模塊引線電阻，端子到芯片的電阻值0.8mΩ，900A時壓降0.72V，功耗高達(dá)648W。

FF900R12ME7電流和引線損耗

如果選擇PrimePACK?封裝，其最大規(guī)格做到了2400A半橋，這樣的模塊引線電阻小很多，原因是端子采用銅排結(jié)構(gòu)。FF900R12IE4，900A 1200V模塊端子到芯片的電阻值0.3mΩ，900A時壓降0.27V，功耗僅243W，只有EconoDUAL?3 FF900R12ME7的38%。

所以選擇器件時，需要考慮不同封裝的特性，以滿足系統(tǒng)需求。

結(jié)論：

由此看來高功率密度帶來的主要問題是造成器件的機械疲勞，影響器件壽命，好在這些壽命機理是已知的，是可以用功率周次和溫度周次描述，器件和系統(tǒng)的壽命可以設(shè)計的。

為了在風(fēng)力發(fā)電，電動汽車和機車牽引等負(fù)載變化大的應(yīng)用領(lǐng)域評估器件在系統(tǒng)中的壽命，這就需要進(jìn)一步了解器件的壽命機制和設(shè)計方法，英飛凌提供壽命仿真的收費服務(wù)。