與傳統(tǒng)的單面冷卻(SSC)模塊相比，雙面冷卻(DSC) SiC 模塊對逆變器性能方面有所改善。

到2040 年，估計電動汽車將占所有新車銷量的58%以上。問題在于缺乏足夠的公共充電基礎設施，電動汽車行駛里程有限，充電時間長。

針對這些問題，上下游企業(yè)正在陸續(xù)推出解決方案，如將電動汽車電池電壓提高到 800 V，執(zhí)行DCFC-Level 3等標準，顯著提高效率，縮短充電時間。寬帶隙半導體，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，可以大大提高電機控制器、OBC和 DC-DC的功率轉(zhuǎn)換效率。

在本文中，我們將重點介紹美國弗吉尼亞理工大學電力電子系統(tǒng)中心 G-Q Lu 教授打造的雙面冷卻(DSC) SiC 模塊，以及該模塊對逆變器性能提升起到了哪些作用？

與傳統(tǒng)的單面冷卻(SSC)模塊相比，該模塊可以使牽引逆變器性能方面取得巨大進步。

美國能源部(DOE)為電動汽車中使用的電力驅(qū)動技術(shù)(EDT)牽引逆變器設定了目標。圖1 列出了一些關鍵目標。

圖 1:DOE EDT 電機逆變器的一些關鍵目標以及弗吉尼亞理工大學為實現(xiàn)這些目標而開展的合作和項目(來源:弗吉尼亞理工大學G-Q Lu 教授)

電動汽車在采用單面冷卻IGBT模塊時，逆變器的體積功率密度不超過10 kW/L；當功率模塊方案切換為單面冷卻SiC模塊時，逆變器的體積功率密度將達到25 kW/L上下。就此而言，在這一關鍵指標上，100 kW/L 是一個巨大的挑戰(zhàn)。弗吉尼亞理工大學電力電子系統(tǒng)中心是如何應對這一挑戰(zhàn)的呢？

如圖 2 所示，為實現(xiàn)上述目標，弗吉尼亞理工大學和美國橡樹嶺國家實驗室的策略是利用 雙面冷卻模塊改進性能，顯著減少 SiC 芯片數(shù)量（少用一半），從而帶來功率密度和成本優(yōu)勢。

圖 2:使用雙面冷卻來減少逆變器中的有源元件數(shù)量

為了實現(xiàn)總體目標，采用了多種解決方案的組合，每種方案如下：

雙面冷卻

雙面冷卻可以將熱阻 Rth-JC 降低 30%以上。此外，如圖3 所示，可以改善功率密度、降低電感(通過不使用鍵合線)。

圖3:雙面冷卻的優(yōu)勢

G-Q Lu教授的團隊使用了一種創(chuàng)新的方法來實現(xiàn)模塊中的雙面冷卻。在雙面冷卻模塊中，芯片通常夾在兩個導電和導熱基板之間。常規(guī)方案是使用短金屬柱覆在芯片頂部用作連接，如圖4(a)所示。該團隊嘗試過許多材料，比如銅(更多熱機械應力)，鉬(較低的導熱性，需要表面金屬化)，等等。對于背面的芯片貼裝，銀燒結(jié)與焊接相比，具有更高的導熱性和導電性以及更高的可靠性。G-Q Lu教授通過低溫燒結(jié)無壓銀燒結(jié)膏制成多孔銀短金屬柱。多孔銀更容易變形，可適應幾何變化，例如基板厚度的差異。圖 4(b)展示了這些銀柱。另外燒結(jié)銀比銅或鉬柱具有更低的機電應力。

圖 4(a):使用金屬柱的雙面水冷

圖 4(b):多孔銀燒結(jié)柱的使用

用于芯片貼裝的納米銀燒結(jié)

無論有或沒有壓力輔助，銀燒結(jié)在 250? C 或更低的溫度下均可固態(tài)擴散。如圖 5 所示，與傳統(tǒng)焊料方法相比，G-Q Lu教授的團隊使用了一種混合了表面活性劑和有機稀釋劑的納米銀漿料，從而在給定的溫度和壓力條件下，增加了致密化速度，提高凝聚力和附著力。

圖 5:銀燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢

使用剛性密封劑

填充模塊內(nèi)芯片間空間的密封劑對模塊的可靠性起著關鍵作用。這種材料需要很低的熱膨脹系數(shù)，模塊才能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)可靠運行。G-Q Lu教授的團隊嘗試了三種不同的封裝材料，如圖 6 所示，首選 EP-2000 材料。該材料具有高彈性模量，有助于降低不同界面處的循環(huán)非彈性應變能密度或損傷，從而提高模塊的可靠性。

圖 6:選擇低熱膨脹系數(shù)的剛性密封劑，提高可靠性

通過場分級材料改善絕緣

PDIV是模塊絕緣開始退化的電壓。要改善這一點，可以使用更厚或堆疊的基板，或者在模塊內(nèi)最高的電場點使用場分級材料。非線性電阻場分級 (NLRFG)材料可以通過快速提高電導率來降低絕緣中的電場應力。在模塊中，三相點，即金屬、陶瓷和絕緣體的界面，是電場應力最高的位置。由聚合物納米復合材料 (PNC)涂層制成的 NLFRG 材料，通過物理涂覆模塊三相點，已被證明可以明顯提高功率模塊的絕緣。

圖 7:使用 NLRFG 聚合物納米復合涂層改善 PDIV

結(jié)果

教授團隊設計了用于電動汽車逆變器的雙面冷卻1.2 kV SiC 模塊。200? C 的溫度測試結(jié)果如圖 8 所示，改進的冷卻和燒結(jié)銀鍵合有可能使 SiC 結(jié)溫高達 250℃。

圖 8:SiC 模塊的溫度測試

圖 9 的10 kV 雙面冷卻SiC 模塊，由 10 kV SiC 器件組成全波二極管整流器模塊。上述方法的組合有助于模塊在高功率密度、高溫和高壓環(huán)境下工作。

圖9:雙面冷卻10 kV SiC整流器

結(jié)論

功率模塊封裝的創(chuàng)新可以提高功率密度，減少 SiC 和 Cu 等材料的使用，從而在電動汽車等應用場景中實現(xiàn)更低的成本和更高效率的功率轉(zhuǎn)換。本文強調(diào)的創(chuàng)新雙面冷卻方法可以成為改善逆變器性能的眾多解決方案之一。

參考文獻：

C. Ding, H. Liu, K Ngo, R. Burgos, G-Q Lu, “A Double-Side Cooled SiC MOSFET Power Module With Sintered-Silver Interposers: I-Design, Simulation, Fabrication, and Performance Characterization,” IEEE Transactions on Power Electronics, 2021.

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