雙模塊如何實現(xiàn)盡可能高的功率密度

氣候變化、人口結(jié)構(gòu)變化和城市化等大趨勢正在改變世界。這些推動了能源效率、綠色能源和電氣化等行業(yè)趨勢，這些關(guān)鍵主題提出了新的要求和挑戰(zhàn)。工程師的目標(biāo)是在下一代逆變器設(shè)計中實現(xiàn)這些新要求，電力電子模塊的高效率、高功率密度和高可靠性的挑戰(zhàn)需要通過持續(xù)的模塊改進(jìn)來支持。阻斷電壓為 1700V 和 3300V 的全 SiC MOSFET 模塊已從研究階段成功開發(fā)到量產(chǎn)，并滿足最高的牽引質(zhì)量、可靠性和性能標(biāo)準(zhǔn)。

封裝和芯片移位

近年來，下一代高功率密度雙通道（nHPD） ^2^ ） 電源模塊已被廣泛采用為新轉(zhuǎn)換器設(shè)計的新事實上的標(biāo)準(zhǔn)電源模塊大綱 [1]。與舊的IHM封裝相比，新的模塊平臺提供了許多性能改進(jìn)，包括非常低的模塊雜散電感和其他優(yōu)化，使該模塊適合采用SiC MOSFET，同時還具有硅IGBT的性能優(yōu)勢。新的雙模塊的一些主要優(yōu)點是：

• 配備硅 IGBT 和碳化硅 MOSFET，為所有轉(zhuǎn)換器要求提供合適的技術(shù)
• 極高的功率密度，可實現(xiàn)緊湊的高性價比轉(zhuǎn)換器設(shè)計
• 優(yōu)化的低電感封裝，可實現(xiàn)清潔的低損耗開關(guān)
• 雙封裝連接，標(biāo)配且易于使用
• 并聯(lián)連接能力、最小化占用空間和輕松增加功率
• 支持不同功率水平和電壓等級的模塊化逆變器平臺
• 具有不同額定電流的可互換模塊

新人乳酸^2^是支持下一代轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵組件，專注于高效、功率密度和高性價比的設(shè)計。

經(jīng)過多年的研發(fā)，高功率、高壓 SiC MOSFET 模塊現(xiàn)已成為主流轉(zhuǎn)換器設(shè)計的一部分，可隨時支持具有低損耗、高功率密度、高可靠性和魯棒性的先進(jìn)轉(zhuǎn)換器的要求，滿足市場標(biāo)準(zhǔn)，包括鐵路世界。SiC MOSFET模塊已經(jīng)實現(xiàn)了顯著的系統(tǒng)級優(yōu)化，其中低開關(guān)損耗可用于提高開關(guān)頻率并優(yōu)化磁性元件尺寸、成本和損耗，增加電流密度，降低冷卻功耗并提高效率?？傮w而言，系統(tǒng)優(yōu)化范圍已擴(kuò)大，為工程師提供了更多選擇，以優(yōu)化其系統(tǒng)以滿足其特定挑戰(zhàn)和要求[2]。

圖 1 顯示了 Hitachi 的芯片和封裝技術(shù)路線圖。該時間表介紹了日立功率器件產(chǎn)品陣容的巨大發(fā)展，并對未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。趨勢是不斷發(fā)展，以提高芯片和封裝技術(shù)的性能，以滿足各種大功率系統(tǒng)的要求。

日立的新型高速平面 SiC MOS 提供非常低的開關(guān)損耗，并與最新 SiC MOSFET 模塊中的銅燒結(jié)芯片鍵合相結(jié)合，可實現(xiàn)高達(dá) 175°C 的結(jié)溫，同時提供最高水平的電源循環(huán)耐久性。

* 圖1. 時間軸顯示技術(shù)隨時間推移的功率密度增加。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

銅燒結(jié)

將銅燒結(jié)用于芯片附件可顯著提高模塊的電源循環(huán)耐久性，同時降低熱阻并提高允許的結(jié)溫 [3]。這種組合可顯著改善輸出電流，尤其是在具有高功率循環(huán)要求的應(yīng)用中。圖2顯示了突出顯示銅燒結(jié)層的功率模塊的橫截面。真實結(jié)構(gòu)的顯微鏡圖像在圖像的下半部分放大顯示。

* 圖2. 顯示主要層的電源模塊的橫截面（頂部）。顯微鏡變焦顯示了燒結(jié)銅層（底部），該層提高了導(dǎo)熱性和功率循環(huán)耐久性。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

底板優(yōu)化

進(jìn)一步擴(kuò)大功率密度范圍，模塊基板和散熱器之間的接口顯示出進(jìn)一步的改進(jìn)潛力。用于直接水冷的針翅片底板在模塊和冷卻液之間提供較低的熱阻 [4]。直接水冷的概念在汽車行業(yè)被廣泛采用，豐富的PinFin模塊設(shè)計經(jīng)驗可以轉(zhuǎn)移到大功率模塊上。

日立正在進(jìn)行概念研究，評估其效益和商業(yè)化。從封閉式（扁平基板模塊）轉(zhuǎn)向開放式（用于針翅式底板模塊）水冷系統(tǒng)為系統(tǒng)設(shè)計人員提出了新的考慮因素，包括對維護(hù)的影響，但轉(zhuǎn)換器功率密度的潛在增加是明顯而顯著的。

預(yù)涂熱界面材料（TIM）的模塊是近期的另一項優(yōu)化。主要優(yōu)點是在轉(zhuǎn)換器組裝過程中取代導(dǎo)熱硅脂的應(yīng)用，并提高轉(zhuǎn)換器制造效率。圖 3 顯示了針翅片底板和兩個不同的印刷 TIM 圖像。

圖3.無性肝病^2^產(chǎn)品底板選項。PinFin（左）和預(yù)涂TIM與兩個不同的印刷圖像，以實現(xiàn)優(yōu)化的導(dǎo)熱性（右）。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

高壓全碳化硅 nHPD2 封裝

下一個nHPD2是日立的優(yōu)化封裝，通過應(yīng)用迄今為止開發(fā)和制造的技術(shù)來滿足未來的需求，并對所有工藝進(jìn)行深度垂直集成。研究、開發(fā)和生產(chǎn)鏈允許芯片和封裝技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，重點是提供性能最佳的產(chǎn)品。

圖 4 顯示了 SiC 模塊陣容。從這個陣容中，MSM800GS33ALT和MSM900GS17CLT [5] 已經(jīng)在位于英國的歐洲動力實驗室進(jìn)行了測試和模擬。測試和仿真結(jié)果在本文的測試和仿真部分提供。

* 圖4. 日立的全碳化硅MOSFET模塊陣容，具有1700V和3300V阻斷電壓。CLT表示高速芯片。本文介紹了MSM800GS33ALT和MSM900GS17CLT的測試和仿真結(jié)果。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

實驗室測試和模擬結(jié)果

方法論

測試和仿真相結(jié)合，用于研究每種模塊類型可以提供的最大可用輸出功率。已經(jīng)研究了兩種模塊類型：1.7 kV 900 A 和 3.3 kV 800 A。研究了上述技術(shù)的影響，并依次確定了每種應(yīng)用技術(shù)的最大輸出電流。結(jié)果中使用輸出電流，因為它是測試的直接測量值，但當(dāng)然，它與輸出功率成正比。

歐洲電源實驗室進(jìn)行了雙脈沖測試，以測量各種工作條件下的開關(guān)損耗，包括電壓、電流、溫度和柵極電阻。結(jié)果用于創(chuàng)建用于 Plecs 仿真的多維設(shè)備模型。

使用兩電平三相轉(zhuǎn)換器模型，在穩(wěn)態(tài)條件下對模塊的損耗和結(jié)溫進(jìn)行仿真，典型轉(zhuǎn)換器條件在一系列工作點上具有不同的電流（以 50 Arms 間隔）和開關(guān)頻率（1 kHz 至 10 kHz）變化。對于模塊的每個版本和每個開關(guān)頻率，當(dāng)模塊的最大結(jié)溫小于160°C時，確定最高電流。 這包括模塊中的溫度紋波，并為最大允許結(jié)溫175°C提供合適的設(shè)計裕量。 由于仿真以50 A的間隔進(jìn)行，因此給出的結(jié)果顯示了最大輸出電流的最小界限，即實際最大輸出電流將高于呈現(xiàn)的結(jié)果。3300 V 高速 MOSFET（CLT 型）結(jié)果基于初步測試數(shù)據(jù)和性能曲線。

由于1700 V高速SiC MOSFET已經(jīng)從生產(chǎn)中上市，因此本研究中省略了標(biāo)準(zhǔn)（ALT型）1700 V。

調(diào)查的性能步驟包括：

1. 基準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn) 3300 V SiC MOSFET（ALT 型），帶數(shù)據(jù)表測試條件
2. 優(yōu)化驅(qū)動：標(biāo)準(zhǔn) 3300 V 碳化硅 MOSFET（ALT 型），具有優(yōu)化的 Rg 和 Vge 值
3. 高速：高速 3300 V 和 1700 V 碳化硅 MOSFET（CLT 型），具有優(yōu)化的 Rg 和 Vge 值
4. PinFin：高速 3300 V 和 1700 V SiC MOSFET（CLT 型），具有優(yōu)化的 Rg 和 Vge 值以及 PinFin 基板

結(jié)果

優(yōu)化驅(qū)動器的基線

重要的第一步是在應(yīng)用條件下優(yōu)化MOSFET的驅(qū)動條件。這對于日立模塊尤其重要，因為數(shù)據(jù)表中提供的性能是出了名的保守。降低柵極電阻（Rg）和增加?xùn)艠O-發(fā)射極電壓（Vge）可使大多數(shù)開關(guān)頻率下的可用輸出功率增加25%以上，對于標(biāo)準(zhǔn)3300 V SiC，在10 kHz時增加50%，對于高速1700 V SiC，在大多數(shù)開關(guān)頻率下增加10%至25%，如圖5所示。

*圖片由 *Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

* 圖5. 應(yīng)用柵極驅(qū)動優(yōu)化時，3300V 模塊（頂部）和 1700V 模塊（底部）的最大輸出電流。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

高速碳化硅

日立的高速SiC（在模塊類型名稱中顯示為CLT）可顯著降低開關(guān)損耗。這使得輸出功率增加15%至30%，在更高的開關(guān)頻率下效果最大，如圖6所示。

* 圖6. 施加 3300 V 模塊高速 MOSFET 的最大輸出電流。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

針翅底板

將模塊的扁平基板更改為用于直接水冷的 PinFin 基板可大大降低熱阻，從而允許從芯片中去除更多熱量并提高輸出電流。這使得模塊的輸出功率提高了15%-20%，如圖7所示。

*圖片由 *Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]

* 圖7. 施加 PinFin 底板時 3300 V 模塊（頂部）和 1700 V 模塊（底部）的最大輸出電流。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

綜合效果

這些技術(shù)部署和優(yōu)化的綜合效應(yīng)使輸出功率提高了30%，在更高的開關(guān)頻率下可能提高65%。與根據(jù)數(shù)據(jù)手冊值評估的標(biāo)準(zhǔn)SiC（ALT型）相比，輸出功率增加了一倍以上，如圖8所示。

Image used courtesy of Bodo’s Power Systems [PDF]

***Figure 8. *Maximum output current for 3300 V modules (top) and 1700 V modules (bottom) when gate drive optimization, high-speed MOSFETs, and PinFin baseplates are applied. Image used courtesy of Bodo’s Power Systems [PDF]

仿真參數(shù)

解決世界功率SiC MOSFET模塊電氣化和脫碳的成本、尺寸和效率等關(guān)鍵挑戰(zhàn)可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。日立全碳化硅MOSFET nHPD^2^模塊配備了最新的高速M(fèi)OSFET，可實現(xiàn)低損耗和最先進(jìn)的封裝技術(shù)，可在很長一段時間內(nèi)可靠可靠地提供其全部性能。

***表 1. *仿真參數(shù)