脱碳的一个关键目标是将一切电气化。为此，电动汽车(EV)正在改变个人和商业交通领域，预计到2040年，电动汽车将占所有新车销量的58%以上。这里的瓶颈在于缺乏足够的充电基础设施(除了驾驶员家中)，行驶里程有限，充电时间长。
业界正在针对上述每个问题推出解决方案。将电动汽车电池电压提高至800V，以及DCFC-Level 3等标准，大大提高了效率并减少了充电时间。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体可以大幅提高牵引逆变器、车载转换器和DC-DC转换器的电源转换效率，这些转换器构成了电动汽车中的电源转换模块。
在本文中，我们将重点介绍美国弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心(CPES)G-Q Lu教授在创建双面冷却(DSC)SiC模块方面所做的工作，与传统的单面冷却(SSC)模块相比，这可以实现牵引逆变器性能的巨大改进。
美国能源部(DOE)对电动汽车中使用的电驱动技术(EDT)牵引逆变器设定了目标。图1列出了一些关键目标。
图1：美国能源部EDT牵引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。(图片来源：弗吉尼亚理工大学G-Q Lu教授)
在大多数最先进(SOTA)的电动汽车中，牵引逆变器的体积功率密度范围从小于10kW/L(基于SSC-IGBT的逆变器)到约25kW/L(基于SSC-SiC的逆变器)不等。100kW/L代表了这一关键指标的巨大飞跃。下面我们来看看CPES实现这一目标的方法。
如图2所示，弗吉尼亚理工大学/橡树岭国家实验室(VT/ORNL)实现牵引逆变器上述目标的策略中，利用了DSC模块改进的性能来显著减少SiC芯片数量，从而带来功率密度和成本优势。
图2：使用DSC减少牵引逆变器中有源器件的数量。(图片来源：弗吉尼亚理工大学G-Q Lu教授)
其中使用了多种解决方案的组合来实现总体目标，每种解决方案总结如下。
这可以将热阻Rth-JC降低30%以上。此外，如图3所示，这还可以显著提高功率密度并降低电感(因为不使用键合线)。
图3：DSC的优势。(图片来源：弗吉尼亚理工大学G-Q Lu教授)
Lu教授团队采用创新方法在模块中实现了DSC。对于DSC，芯片通常夹在两个导热衬底之间。以前的顶部连接方法使用短金属柱覆盖住一部分器件区域，如图4(a)所示。业界已尝试对该柱子使用过许多材料，例如铜(会引入更多的热机械应力)和钼(具有较低的导热性并且需要表面金属化)等。对于背面裸片贴装来说，银烧结比焊接有几个优点：具有更高的导热性和导电性以及更高的可靠性。在他的工作中，柱子是通过低温烧结无压银烧结膏制成的多孔银。使用这些多孔柱子的一个关键优点是，它们在形成顶部接触的过程中很容易变形，从而适应几何变化，例如衬底厚度的差异。图4(b)对这些银柱子进行了说明。对于裸片贴装而言，烧结银相比焊料的许多优点现在也转化到顶部贴装——以及低弹性模量的优点，因此比铜柱或钼柱具有更低的机电应力。
图4(a)：使用金属柱的DSC方法。(图片来源：弗吉尼亚理工大学G-Q Lu教授)
图4(b)：多孔银烧结柱的使用。(图片来源：弗吉尼亚理工大学G-Q Lu教授)
银烧结是在250℃或以下温度、有或没有压力辅助的条件下使用固态扩散实现的。如图5所示，银烧结比传统焊接方法具有多种优势。Lu教授的团队使用了纳米银浆，并将其与表面活性剂和有机稀释剂混合在一起。在给定的温度和压力条件下，这提高了致密化速率，从而提高了胶层内聚力和粘附力。
图5：银烧结用于裸片贴装的优势。(图片来源：弗吉尼亚理工大学G-Q Lu教授)
填充模块中裸片之间空间的密封剂对于模块的可靠性起着关键作用。这种材料的热膨胀系数(CTE)需要较低，以便模块能够在指定的温度范围内可靠地使用。Lu教授团队尝试了三种不同的封装材料，如图6所示。优选的EP-2000材料的高弹性模量有助于降低不同粘合界面处的循环非弹性应变能密度或损伤，从而提高模块的可靠性。
图6：选择低CTE刚性封装以提高可靠性。(图片来源：弗吉尼亚理工大学G-Q Lu教授)
局部放电起始电压(PDIV)即模块绝缘开始退化的电压。改善这一点的方法包括使用更厚或堆叠的衬底，或者在模块内的最高电场点处使用场分级材料。非线性电阻场分级(NLRFG)材料可以通过快速增加电导率来降低绝缘体中的电场应力。在模块中，三相点(即金属、陶瓷和绝缘体的界面)是场应力最高的位置。在这项工作中，如图7所示，由聚合物纳米复合材料(PNC)涂层制成的NLFRG材料通过对模块三相点进行物理涂敷而得到，其已被证明可以显著提高电源模块的绝缘性。
图7：使用NLRFG聚合物纳米复合涂层改善PDIV。(图片来源：弗吉尼亚理工大学G-Q Lu教授)
Lu教授团队针对电动汽车牵引逆变器构建了DSC 1.2kV SiC相脚模块原型。图8显示了其200℃的温度测试结果。改进的冷却以及烧结银键合的使用表明，其可以提高工作温度，有可能使SiC结温高达250℃。
图8：SiC模块的温度测试。(图片来源：弗吉尼亚理工大学G-Q Lu教授)
图9对10kV DSC SiC模块进行了描述，它由10kV SiC器件组成，从而形成全波二极管整流器模块。上述方法的结合有助于实现高功率密度、高温和高压操作。
图9：DSC 10kV SiC整流器模块。(图片来源：弗吉尼亚理工大学G-Q Lu教授)
功率模块封装的创新可以提高功率密度并减少SiC和Cu等材料，从而在电动汽车应用中实现更低的成本和更可持续的电源转换。本文重点介绍的创新DSC方法可以成为用于提高电动汽车和可再生能源转换器牵引逆变器性能的众多解决方案之一。
1 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.
（原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Double-Side Cooled SiC Modules For Improved Traction Inverter Performance，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2024年1月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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