雙模塊如何實現盡可能高的功率密度

氣候變化、人口結構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趨勢，這些關鍵主題提出了新的要求和挑戰。工程師的目標是在下一代逆變器設計中實現這些新要求，電力電子模塊的高效率、高功率密度和高可靠性的挑戰需要通過持續的模塊改進來支持。阻斷電壓為 1700V 和 3300V 的全 SiC MOSFET 模塊已從研究階段成功開發到量產，并滿足最高的牽引質量、可靠性和性能標準。

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換器設計的新事實上的標準電源模塊大綱 [1]。與舊的IHM封裝相比，新的模塊平臺提供了許多性能改進，包括非常低的模塊雜散電感和其他優化，使該模塊適合采用SiC MOSFET，同時還具有硅IGBT的性能優勢。新的雙模塊的一些主要優點是：

• 配備硅 IGBT 和碳化硅 MOSFET，為所有轉換器要求提供合適的技術
• 極高的功率密度，可實現緊湊的高性價比轉換器設計
• 優化的低電感封裝，可實現清潔的低損耗開關
• 雙封裝連接，標配且易于使用
• 并聯連接能力、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^是支持下一代轉換器系統設計的關鍵組件，專注于高效、功率密度和高性價比的設計。

經過多年的研發，高功率、高壓 SiC MOSFET 模塊現已成為主流轉換器設計的一部分，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轉換器的要求，滿足市場標準，包括鐵路世界。SiC MOSFET模塊已經實現了顯著的系統級優化，其中低開關損耗可用于提高開關頻率并優化磁性元件尺寸、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，系統優化范圍已擴大，為工程師提供了更多選擇，以優化其系統以滿足其特定挑戰和要求[2]。

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

日立的新型高速平面 SiC MOS 提供非常低的開關損耗，并與最新 SiC MOSFET 模塊中的銅燒結芯片鍵合相結合，可實現高達 175°C 的結溫，同時提供最高水平的電源循環耐久性。

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

銅燒結

將銅燒結用于芯片附件可顯著提高模塊的電源循環耐久性，同時降低熱阻并提高允許的結溫 [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要求的應用中。圖2顯示了突出顯示銅燒結層的功率模塊的橫截面。真實結構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銅層（底部），該層提高了導熱性和功率循環耐久性。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

底板優化

進一步擴大功率密度范圍，模塊基板和散熱器之間的接口顯示出進一步的改進潛力。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被廣泛采用，豐富的PinFin模塊設計經驗可以轉移到大功率模塊上。

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

預涂熱界面材料（TIM）的模塊是近期的另一項優化。主要優點是在轉換器組裝過程中取代導熱硅脂的應用，并提高轉換器制造效率。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^產品底板選項。PinFin（左）和預涂TIM與兩個不同的印刷圖像，以實現優化的導熱性（右）。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]

高壓全碳化硅 nHPD2 封裝

下一個nHPD2是日立的優化封裝，通過應用迄今為止開發和制造的技術來滿足未來的需求，并對所有工藝進行深度垂直集成。研究、開發和生產鏈允許芯片和封裝技術的持續改進，重點是提供性能最佳的產品。

圖 4 顯示了 SiC 模塊陣容。從這個陣容中，MSM800GS33ALT和MSM900GS17CLT [5] 已經在位于英國的歐洲動力實驗室進行了測試和模擬。測試和仿真結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的測試和仿真結果。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

實驗室測試和模擬結果

方法論

測試和仿真相結合，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。研究了上述技術的影響，并依次確定了每種應用技術的最大輸出電流。結果中使用輸出電流，因為它是測試的直接測量值，但當然，它與輸出功率成正比。

歐洲電源實驗室進行了雙脈沖測試，以測量各種工作條件下的開關損耗，包括電壓、電流、溫度和柵極電阻。結果用于創建用于 Plecs 仿真的多維設備模型。

使用兩電平三相轉換器模型，在穩態條件下對模塊的損耗和結溫進行仿真，典型轉換器條件在一系列工作點上具有不同的電流（以 50 Arms 間隔）和開關頻率（1 kHz 至 10 kHz）變化。對于模塊的每個版本和每個開關頻率，當模塊的最大結溫小于160°C時，確定最高電流。 這包括模塊中的溫度紋波，并為最大允許結溫175°C提供合適的設計裕量。 由于仿真以50 A的間隔進行，因此給出的結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的結果。3300 V 高速 MOSFET（CLT 型）結果基于初步測試數據和性能曲線。

由于1700 V高速SiC MOSFET已經從生產中上市，因此本研究中省略了標準（ALT型）1700 V。

調查的性能步驟包括：

1. 基準：標準 3300 V SiC MOSFET（ALT 型），帶數據表測試條件
2. 優化驅動：標準 3300 V 碳化硅 MOSFET（ALT 型），具有優化的 Rg 和 Vge 值
3. 高速：高速 3300 V 和 1700 V 碳化硅 MOSFET（CLT 型），具有優化的 Rg 和 Vge 值
4. PinFin：高速 3300 V 和 1700 V SiC MOSFET（CLT 型），具有優化的 Rg 和 Vge 值以及 PinFin 基板

結果

優化驅動器的基線

重要的第一步是在應用條件下優化MOSFET的驅動條件。這對于日立模塊尤其重要，因為數據表中提供的性能是出了名的保守。降低柵極電阻（Rg）和增加柵極-發射極電壓（Vge）可使大多數開關頻率下的可用輸出功率增加25%以上，對于標準3300 V SiC，在10 kHz時增加50%，對于高速1700 V SiC，在大多數開關頻率下增加10%至25%，如圖5所示。

*圖片由 *Bodo 的動力系統提供 [PDF]

* 圖5. 應用柵極驅動優化時，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）可顯著降低開關損耗。這使得輸出功率增加15%至30%，在更高的開關頻率下效果最大，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 的動力系統提供 [PDF]*

綜合效果

這些技術部署和優化的綜合效應使輸出功率提高了30%，在更高的開關頻率下可能提高65%。與根據數據手冊值評估的標準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

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

***表 1. *仿真參數