创新双面冷却方法可以成为许多提高逆变器性能的解决方

与传统单面冷却(SSC)与模块相比，双面冷却(DSC) SiC 模块提高了逆变器的性能。

到2040 预计电动汽车将占所有新车销量的58%以上。问题是缺乏足够的公共充电基础设施，电动汽车里程有限，充电时间长。

针对这些问题，上下游企业纷纷推出解决方案，如将电动汽车电池电压提高到 800 V，执行DCFC-Level 3.显著提高效率，缩短充电时间。碳化硅等宽带间隙半导体(SiC)和氮化镓(GaN)，可大大提高电机控制器、OBC和 DC-DC的功率转换效率。

本文将重点介绍弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心 G-Q Lu 教授创造的双面冷却(DSC) SiC 该模块在提高逆变器性能方面发挥了什么作用？

与传统单面冷却(SSC)与模块相比，该模块可以大大提高牵引逆变器的性能。

美国能源部(DOE)电动汽车中使用的电动驱动技术(EDT)牵引逆变器设定了目标。图1 列出了一些关键目标。

图 1:DOE EDT 电机逆变器的一些关键目标，以及弗吉尼亚理工大学为实现这些目标而开展的合作和项目(来源:弗吉尼亚理工大学G-Q Lu 教授)

当电动汽车采用单面冷却IGBT模块时，逆变器的体积功率密度不超过10 kW/L；当功率模块方案切换到单面冷却SIC模块时，逆变器的体积功率密度将达到25 kW/L上下。在这方面，在这个关键指标上，100 kW/L 这是一个巨大的挑战。弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心如何应对这一挑战？

如图 2 为了实现上述目标，弗吉尼亚理工大学和橡树岭国家实验室的战略是使用它 提高双面冷却模块的性能，显著降低 SiC 芯片数量(少用一半)，从而带来功率密度和成本优势。

图 2:采用双面冷却来减少逆变器中有源元件的数量

为实现总体目标，采用多种解决方案的组合，每种解决方案如下：

双面冷却

双面冷却可以阻挡热阻 Rth-JC 降低 30%以上。另外，如图3所示 可以提高功率密度，降低电感(不使用键合线)。

图 3:双面冷却的优点

G-Q Lu教授的团队使用创新的方法来实现模块中的双面冷却。芯片通常夹在两个导电和导热基板之间，用于双面冷却模块。常规方案是在芯片顶部覆盖短金属柱作为连接，如图4所示(a)所示。该团队尝试了铜(热机械应力较多)、钼(导热性较低，需要表面金属化)等多种材料。与焊接相比，银烧结具有更高的导热性、导电性和可靠性。G-Q Lu教授通过低温烧结无压银烧结膏制成多孔银短金属柱。多孔银更容易变形，可以适应几何变化，如基板厚度的差异。图 4(b)展示这些银柱。此外，烧结银的机电应力低于铜或钼柱。

图 4(a):使用金属柱的双面水冷

图 4(b):使用多孔银烧结柱

用于芯片贴装的纳米银烧结

无论有没有压力辅助，银烧结都在 250˚ C 固态扩散可以在较低的温度下进行。如图所示 5 与传统的焊料方法相比，G-Q Lu教授的团队使用纳米银浆混合了表面活性剂和有机稀释剂，在给定的温度和压力下提高了致密性，提高了凝聚力和附着力。

图 5:银烧结技术的优势

使用刚性密封剂

芯片间空间的密封剂在模块的可靠性中起着关键作用。该材料需要低热膨胀系数，模块可以在规定的温度范围内可靠运行。G-Q Lu教授的团队尝试了三种不同的包装材料，如图所示 6 所示，首选 EP-2000 材料。该材料具有高弹性模量，有助于降低不同界面的循环非弹性应变密度或损坏，从而提高模块的可靠性。

图 6:选择低热膨胀系数的刚性密封剂，提高可靠性

通过场分级材料改善绝缘绝缘

PDIV是模块绝缘开始退化的电压。为了改进这一点，可以使用较厚或堆叠的基板，也可以在模块中最高的电场使用场分级材料。非线性电阻场分级 (NLRFG)材料可以通过快速提高电导率来降低绝缘中的电场应力。在模块中，三相点，即金属、陶瓷和绝缘体的界面，是电场应力最高的位置。由聚合物纳米复合材料制成 (PNC)涂层制成的 NLFRG 材料，通过物理涂层模块的三相点，已被证明能显著提高功率模块的绝缘度。

图 7:使用 NLRFG 聚合物纳米复合涂层改进改进 PDIV

结果

教授团队为电动汽车逆变器的双面冷却设计了1.2 kV SiC 模块。200˚ C 温度试验结果如图所示 8 所示，改进的冷却和烧结银键合可能会使 SiC 结温高达 250℃。

图 8:SiC 模块温度测试

图 9 的10 kV SiC双面冷却 模块，由 10 kV SiC 该装置组成全波二极管整流器模块。上述方法的组合有助于模块在高功率密度、高温和高压环境下工作。

图9:双面冷却10 kV SiC整流器

结论

功率模块包装的创新可以提高功率密度，降低功率密度 SiC 和 Cu 使用电动汽车等应用场景中的其他材料可以实现更低的成本和更高效的功率转换。本文强调的创新双面冷却方法可以成为许多提高逆变器性能的解决方案之一。

参考文献：

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.