直接液體冷卻功率半導體器件的影響

在電力電子領域，面臨的挑戰(zhàn)是如何在更小的設備中實現(xiàn)更高的功率傳輸并降低成本。這些目標往往相互矛盾，導致必須做出妥協(xié)。更高的電流會導致器件內部的熱應力增加，從而縮短其使用壽命。

為了解決這個問題，可以考慮使用損耗更低的解決方案，比如用SiC-MOSFET替代IGBT。不過，這樣的解決方案會更昂貴。另一種方法是改善冷卻效果，但絕緣基材在熱傳導上存在物理限制，而解決辦法就是放棄絕緣要求。

半導體模塊的比較

最常見的半導體模塊采用直接銅結合基材(DCB)和絕緣陶瓷層。這種設置可以承載多個芯片，通過對上層銅層的結構設計，可以處理不同的電位。圖1示意性地描繪了這種方法。

相比之下，高功率碟形器件通常與電活性冷卻板結合，如圖2所示。在圖1所示的設置中，陶瓷層提供了主導的熱阻。高性能陶瓷如氮化鋁(AlN)具有高達180 W/(mK)的導熱性。然而，為了達到所需的絕緣效果，所需的厚度導致了較大的熱阻。圖2中的設置改善了熱性能，因為在功率半導體與散熱器之間不涉及電絕緣。因此，必須使用電絕緣的冷卻液，如去離子水/防凍液混合物，并且其絕緣特性必須進行監(jiān)測和維護。

消除熱阻

為了消除DCB的主導熱阻，采用了一種方法，將IGBT芯片直接焊接到一個適合的液體冷卻板上，該冷卻板尺寸為40 x 80 mm2。這樣，冷卻板就成為了IGBT集電極的電連接。DCB基材則用于在發(fā)射極和控制端子側安裝功率端子。為了克服連接線帶來的限制，基于不同裝配技術構建了一個測試樣件。

在這里，使用了一種具有可焊接前面金屬化的不同芯片。連接線被用焊接到IGBT前面的連接夾替代。由于夾子無法直接焊接在芯片上，因此首先將接口墊焊接到IGBT上。圖3展示了得到的測試樣件。

進行了基于紅外相機的測量，結果顯示每個芯片可承載200 A的電流，如圖4所示。

通過使用連接線所施加的任何限制已被消除。在超過連接線能夠承受的電流密度下，夾子的溫度保持在100°C以下。

本研究使用了一種額定電流為150A的標準芯片。今天的工業(yè)邊界條件包括最大入口溫度為65°C，最大芯片溫度為175°C。測量結果顯示該設置能夠從芯片散發(fā)出最多380W/cm2的功率損耗密度。值得注意的是，額定150A的芯片在處理200 A時仍然在其熱限制范圍內。對于目標熱條件和65°C的入口溫度，最大結溫Tvj=175°C在250 A時達到。

電氣測試

盡管研究重點關注熱性能，但基本的電氣行為也進行了測試。雙脈沖測試的結果總結在圖5中。

測試顯示開關干凈，但由于測試設置的性質，沒有進一步調查的細節(jié)。雖然所研究設備的布局未針對開關進行優(yōu)化，也未期待完美的開關行為，但結果仍然足夠好，可以轉化為潛在的系列開發(fā)。

循環(huán)負載測試

卓越的熱性能是延長電力電子元件使用壽命的關鍵因素。在第二種設計中，幾個設備按照IEC 60749定義進行了功率循環(huán)測試(PCsec)。

預期的是，墊片和夾子組合的壽命會高于使用連接線的系統(tǒng)，因為連接線的失效機制如連接剝離和連接腳裂紋被消除。然而，由于墊片焊接在芯片的前面，這一接口的剝離最終是不可避免的。測試在12°C的入口溫度下進行。在一個4秒的周期內，負載電流為250 A，觀察到芯片溫度的波動為90 K。圖6顯示了卓越的熱性能和冷卻板內部的低熱擴散。

需要注意的是，此測試中的IGBT額定芯片電流僅為150 A。因此，盡管在給定的芯片溫度熱限制內，芯片的工作電流遠超現(xiàn)實應用中的參數(shù)。

此測試的壽命終止標準是在前向電壓上升5%。這個值在大約145,000個循環(huán)后到達。而在這些條件下，傳統(tǒng)的焊接技術約達到80,000個循環(huán)?？紤]到芯片金屬化、焊料合金和焊接工藝的進一步改進，達到至少兩倍于焊接連接設備的功率循環(huán)能力似乎是合理的。

潛在應用及其帶來的好處

所選結構及其實現(xiàn)的功率密度表明，這種設計旨在用于高功率應用。已經(jīng)具備液體冷卻并要求高功率傳輸?shù)膽茫貏e可以受益于絕緣功率半導體配置。

這種方法針對風力發(fā)電的可再生能源生成或通過感應加熱進行金屬焊接。由于散熱器與IGBT的集電極形成連接，這種方案非常適合構建具有高電流承載能力的單開關，如圖8所示。

該版本配備250 A芯片組，類似于一個額定1200 A的單開關，體積為123.5 cm3。

由兩個這樣的器件構成的半橋大約占用250 cm3的空間。相比之下，當前使用的高功率模塊最多需要700 cm3。

集成液體冷卻的另一個好處是，所需的外殼不再承受電力半導體常見的高溫。這為使用低檔塑料，甚至是易于回收的材料打開了道路，這將在未來幾年成為重要課題。

就資源使用而言，由圖8中的設備構建的半橋質量低于0.7 kg，低于當前設計的一半。

通過用鋁替代銅散熱器，犧牲部分性能可實現(xiàn)成本和重量的減少。

高效的冷卻也是充分發(fā)揮具有非常高去飽和極限IGBT能力的關鍵。前向電壓、開關性能和短路魯棒性構成了IGBT技術優(yōu)化的限制三角形。低開關損耗的芯片往往具有更高的前向電壓，反之亦然，只要短路能力不受影響。圖9反映了優(yōu)化為低前向電壓的IGBT的前向電壓。

這個額定電壓為1200 V、額定電流為200 A的芯片在該工作點上產(chǎn)生240 W的損耗。盡管該芯片可以輕松承受高達450 A的電流，但損耗會增至720 W，或者在這種情況下為360 W/cm2。

在使用陶瓷絕緣材料的組件中，這種功率損耗密度會導致芯片溫度過高，即使安裝了高性能陶瓷也不例外。

通過直接液體冷卻的方法，已實現(xiàn)高達380 W/cm2的功率密度，使芯片在該工作點下能夠正常工作而不超過其熱限制。

因此，圖8中的設備能夠承載超過2 kA的電流，可能接近所用端子的可容忍電流密度極限。

推動電力半導體功率密度的極限

由于絕緣要求，當前電力半導體的功率密度提升存在物理限制。為了突破這些限制，必須識別出更有效地從電力半導體中提取熱量的新方法。一種方法是結合適合的芯片和互連技術的直接液體冷卻。這種從傳統(tǒng)絕緣組件轉向非絕緣組件的轉變，為提升功率密度提供了十倍的可能性。

這不僅限于IGBT技術，也可以同樣轉移到寬禁帶半導體上。