電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級(jí)熱分析

摘要：本文提出一個(gè)用尺寸緊湊、高成本效益的DC/AC逆變器分析碳化硅功率模塊內(nèi)并聯(lián)裸片之間的熱失衡問(wèn)題的解決方案，該分析方法是采用紅外熱像儀直接測(cè)量每顆裸片在連續(xù)工作時(shí)的溫度，分析兩個(gè)電驅(qū)逆變模塊驗(yàn)證，該測(cè)溫系統(tǒng)的驗(yàn)證方法是，根據(jù)柵源電壓閾值選擇每個(gè)模塊內(nèi)的裸片。我們將從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取一個(gè)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)Vth 選擇標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)當(dāng)逆變器工作在電動(dòng)汽車常用的電壓和功率范圍內(nèi)時(shí)的熱不平衡現(xiàn)象。此外，我們還能夠延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間，以便分析在電動(dòng)汽車生命周期典型電流負(fù)荷下的芯片行為。測(cè)試結(jié)果表明，根據(jù)閾壓為模塊選擇適合的裸片可以優(yōu)化散熱性能，減少熱失衡現(xiàn)象。

I.前言（標(biāo)題1）

電驅(qū)逆變器是業(yè)界公認(rèn)的混動(dòng)車和電動(dòng)車的核心部件，從最初的幾十千瓦，到現(xiàn)在的數(shù)百千瓦，它們對(duì)額定功率的要求越來(lái)越高。中高功率逆變器要求功率模塊的標(biāo)稱電流高達(dá)數(shù)百至數(shù)千安培。只能通過(guò)并聯(lián)多個(gè)裸片，有時(shí)并聯(lián)多個(gè)子模塊(在同一個(gè)封裝基板上集成多個(gè)裸片)，甚至多個(gè)功率模塊，才能達(dá)到如此高的電流[1]。

在這種情況下，重量、尺寸和成本是制約功率模塊設(shè)計(jì)的主要因素。最初使用IGBT設(shè)計(jì)的三相半橋逆變器解決方案已經(jīng)非常普及，目前采用性能更高的碳化硅功率模塊設(shè)計(jì)逆變器是一種新趨勢(shì)。功率模塊設(shè)計(jì)通常是熱性能和電性能之間的權(quán)衡與折衷。設(shè)計(jì)良好的功率模塊，能夠在上下橋臂開關(guān)管之間以及開關(guān)管內(nèi)部裸片之間均衡分配電流，前提是它們的靜態(tài)參數(shù)差異不大。此外，良好的電路布局意味著，只有裸片之間互熱效應(yīng)合理，熱應(yīng)力才能分布均衡[1]。

本文介紹一個(gè)電驅(qū)逆變器模塊連續(xù)工作測(cè)溫系統(tǒng)的開發(fā)步驟和過(guò)程，并分析了影響功率模塊使用壽命的并聯(lián)碳化硅裸片之間的熱失衡現(xiàn)象。電路布局引起的寄生元件和靜態(tài)參數(shù)（例如，通態(tài)電阻和閾值電壓）是引起并聯(lián)器件熱失衡的主要因素。論文[2]中詳細(xì)論述了電路布局的不對(duì)稱性，它會(huì)影響柵極到源極環(huán)路，引起串聯(lián)電感，并導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)環(huán)路不匹配，從而嚴(yán)重影響并聯(lián)器件的動(dòng)態(tài)性能。

論文[3]中描述了如何通過(guò)紅外熱像儀圖像分析功率模塊在穩(wěn)態(tài)下的熱失衡問(wèn)題。雖然通態(tài)電阻分布范圍是一個(gè)重要的靜態(tài)參數(shù)，但是電阻與溫度的關(guān)系將會(huì)補(bǔ)償通態(tài)電阻的分布范圍。事實(shí)上，芯片升溫將會(huì)減輕漏源通態(tài)電阻自然分布范圍引起的熱失衡現(xiàn)象。

本文將重點(diǎn)討論另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：閾值電壓 (Vth)，它對(duì)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷性能影響很大，從而影響功率開關(guān)的能量損耗。 兩個(gè)并聯(lián)芯片之間的閾壓 Vth 差會(huì)導(dǎo)致能耗失衡，最終影響整個(gè)功率模塊的性能。論文[4]詳細(xì)地描述了 Vth 對(duì)開關(guān)能耗的影響，證明當(dāng) Vth 升高 500mV時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)耗散功率升幅可能高達(dá) 40%。

根據(jù)這個(gè)論據(jù)，我們認(rèn)為有必要建立一個(gè)能夠在正常工作條件下直接測(cè)量開關(guān)溫度的測(cè)溫系統(tǒng)，以評(píng)估和表征功率模塊內(nèi)不同裸片的散熱性能。不僅在生產(chǎn)線上設(shè)法最大限度縮窄工藝的參數(shù)分布范圍，包括閾壓 Vth的分布范圍，還需要根據(jù)模塊內(nèi)距離最近的兩個(gè)芯片之間的微小差異，在模塊組裝層面采取進(jìn)一步的改善行動(dòng)。我們利用這一概念組裝了兩個(gè)不同的功率模塊：第一個(gè)模塊叫做 GAP1，內(nèi)部裸片閾壓Vth的最大分布范圍是250mV（圍繞平均值+/- 125mV），第二個(gè)模塊叫做GAP2，Vth的最大變化范圍是 500mV（圍繞平均值+/-250mV）。采用兩個(gè)不同的開關(guān)頻率進(jìn)行測(cè)試：電驅(qū)逆變器的典型工作頻率8kHz和12kHz。眾所周知，耗散功率的增加與開關(guān)頻率成正比。

A.實(shí)驗(yàn)裝置

我們的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)，使我們能夠在更接近電驅(qū)逆變器的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中測(cè)量功率芯片的溫度。因此，必須從適合的機(jī)械部件以及液壓、電氣和電子組件開始，使所有組件都指向上述目標(biāo)。下圖是已實(shí)現(xiàn)的最終溫度測(cè)試系統(tǒng)的框圖。

圖1：完整的測(cè)溫系統(tǒng) – 框圖

測(cè)溫系統(tǒng)的液壓部分是由冷水機(jī)、進(jìn)水閥、出水閥組成，冷卻液在液壓管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，為被測(cè)溫裝置散熱。進(jìn)水閥溫度和流量以及水套（水箱）的外觀尺寸是決定逆變器尺寸的重要參數(shù)，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懛庋b的RTH熱阻率。冷卻液是乙二醇和水的50%-50%混合物，這是變頻冷卻器回路中常見的冷卻液配制方法。為了測(cè)量冷卻液的流量，在被測(cè)溫裝置前面連接一個(gè)流量計(jì)，在我們的實(shí)驗(yàn)中，冷卻液流量設(shè)為每分鐘 3.7 升。采用溫度計(jì)檢測(cè)功率模塊進(jìn)水閥的冷卻液溫度何時(shí)達(dá)到65℃的參考溫度。鋁制散熱器為功率模塊散熱，功率模塊的柵極信號(hào)由專門的柵極驅(qū)動(dòng)板提供。圖 2 是測(cè)溫實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

圖2：實(shí)驗(yàn)裝置

下面是設(shè)備清單

表1：測(cè)試設(shè)備

B. 被測(cè)溫設(shè)備和柵極驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)

我們?cè)谝粋€(gè)連續(xù)高頻工作的碳化硅三相功率模塊上進(jìn)行熱分析。特別是，把功率模塊的中間橋臂斷開，將橋臂U 和橋臂 W的交流端子連接1.2mH 的電感負(fù)載，獲得一個(gè)全橋拓?fù)洌▓D 3）。

圖3：半橋等效電路

如何通過(guò)多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊是在開發(fā)測(cè)溫系統(tǒng)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素。第一級(jí)（電源）利用DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器提供+18V和5V電壓，這是開關(guān)操作所需的電源。第二級(jí)（主板）包含驅(qū)動(dòng)器和通斷電阻，用于驅(qū)動(dòng)電荷注入柵源極電容器，以免在開關(guān)過(guò)程中達(dá)到器件的擊穿電壓。下圖是這些板的 3D 模型。

最后一級(jí)是由 Nucleo STM32 微控制器板實(shí)現(xiàn)的控制模塊。該模塊采用單極 PWM 控制方法，用相同信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)對(duì)角線上的開關(guān)?；パa(bǔ)信號(hào)及所需的死區(qū)時(shí)間用于驅(qū)動(dòng)第二對(duì)角線上的功率開關(guān)。根據(jù)負(fù)荷工況和實(shí)際工作條件，設(shè)置 PWM 信號(hào)的占空比，以獲得峰值電流達(dá)到設(shè)計(jì)要求的正弦電流波形。圖 4所示是 PWM 互補(bǔ)信號(hào)和負(fù)載電流 (460 A Imax) 的相關(guān)波形。

圖4. PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)和負(fù)載電流

圖 5 ：柵極驅(qū)動(dòng)板 – 電源和主板

柵極驅(qū)動(dòng)板安裝在功率模塊上面，如上圖所示。兩塊板子是金字塔形狀和互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，通過(guò)排針插接在一起，以最大限度地減少走線距離、驅(qū)動(dòng)板上的寄生元件和信號(hào)傳播延遲。

在下圖中，可以看到所使用的測(cè)試工具以及直流母線和微控制器板。因?yàn)楦哳l電流會(huì)流經(jīng)匯流排，所以，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)特別注意匯流排的正確尺寸。板上有兩個(gè)開孔，方便我們直接觀察被測(cè)芯片，并用紅外熱像儀測(cè)量結(jié)溫 (TJ) 。

圖6: 電氣系統(tǒng)概述

被測(cè)溫SiC功率模塊的特性如下：25℃時(shí)通態(tài)電阻典型值RdsON=1.9mΩ（每個(gè)開關(guān)），標(biāo)稱電流Iphase=340A，擊穿電壓Vb=1200V。 圖 7 所示是全橋轉(zhuǎn)換器的一個(gè)橋臂：每個(gè)開關(guān)都是由八個(gè)并聯(lián)的裸片組成。在下圖中，我們可以看到被測(cè)溫器件的內(nèi)部電路布局，并確定組成上下橋臂開關(guān)的八個(gè)裸片的位置。

圖7: 被測(cè)器件電路布局

C. 并聯(lián)芯片間的閾壓差對(duì)溫度不平衡的影響

測(cè)試電壓和電流分別是 400V 母線電壓和 200Hz 340 Arms 正弦相電流，使用8kHz和12kHz 兩種開關(guān)頻率測(cè)試在不同耗散功率時(shí)的熱失衡現(xiàn)象[3]。

溫度測(cè)量的目的是量化全橋 32 個(gè)芯片中溫度最高和最低的芯片之間的溫差，比較GAP 1 模塊和GAP 2 模塊在相同開關(guān)頻率條件下的散熱性能。

值得一提的是，為了使實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到要求，對(duì)FLIR E-76熱像儀進(jìn)行了預(yù)表征測(cè)量過(guò)程，涉及的主要參數(shù)包括安裝位置角度，以及與表面材料和外部光線條件相關(guān)的發(fā)射系數(shù)。在 50°C 至 175°C的穩(wěn)態(tài)溫度范圍內(nèi)，通過(guò)熱板給功率模塊加熱來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。最后，對(duì)照熱板溫度設(shè)定值檢查NTC 讀數(shù)，確保二者一致。

只有完成實(shí)驗(yàn)裝置校準(zhǔn)后，才開始拍攝熱圖像。圖 8 和圖 9 所示是GAP 1 模塊在開關(guān)頻率 12kHz時(shí)的紅外熱圖像，同時(shí)給出了開關(guān)內(nèi)每個(gè)芯片的結(jié)溫測(cè)量值。

圖8： 橋臂U在8kHz時(shí)的紅外熱圖像

下圖是橋臂W在開關(guān)頻率12 kHz時(shí)的紅外熱圖像。

圖9: 橋臂W 在12kHz時(shí)的紅外熱圖像

在GAP2 模塊上做同樣的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)。圖中上面的八顆裸片屬于上橋臂開關(guān)，而下面的八顆裸片屬于下橋臂開關(guān)。在 8kHz 和 12kHz開關(guān)頻率條件下，分別對(duì)GAP 1 模塊和GAP 2模塊進(jìn)行了溫度分析。下表匯總了測(cè)量分析結(jié)果，報(bào)告了每個(gè)步驟測(cè)得的最大溫度和最小溫度。

表二：測(cè)試結(jié)果

在GAP 1 模塊中，溫度最高和最低芯片的溫差，在 8kHz 時(shí)為 4.4 °C，在 12kHz 時(shí)為 4.6 °C。 在根據(jù)選型標(biāo)準(zhǔn)選擇 Vth 的GAP 2模塊中，8kHz 時(shí)的熱增量為 6.3 °C， 12kHz 時(shí)為8.7 °C。

D. 結(jié)論

測(cè)試表明，減小并聯(lián)碳化硅芯片的閾壓差可以極大地降低芯片之間的溫差。此外，隨著開關(guān)頻率提高，通過(guò)減小裸片閾壓差的方式降低溫差的方法變得更加有效，特別是，在測(cè)試中，溫差在 8kHz 時(shí)降低了 25%，在開關(guān)頻率為 12kHz 時(shí)降低了近 50%。引起開關(guān)耗散功率的因素包括 Eon、Eoff 和二極管反向恢復(fù)損耗，當(dāng)然還有開關(guān)頻率。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)于給定的選型標(biāo)準(zhǔn)，提高開關(guān)頻率降低溫差的方法無(wú)論如何不如降低閾壓分布范圍更有效。由于測(cè)量過(guò)程中存在許多技術(shù)問(wèn)題，其中包括總線過(guò)熱和電源電壓紋波，因此，無(wú)法在上一代電動(dòng)汽車的典型標(biāo)稱電池電壓下執(zhí)行測(cè)試。預(yù)計(jì)這將會(huì)擴(kuò)大溫差，因此，從選型標(biāo)準(zhǔn)或器件閾壓范圍開始，能夠預(yù)測(cè)結(jié)溫?zé)岵黄胶獾臄?shù)學(xué)模型將非常有幫助 。

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