功率模块性能分析

评价功率模块各参数的重要性总是和其所应用的领域密切相关，例如在牵引机车的应用中，其可靠性最为重要；而在家用消费品应用中，其低成本则是决定性的因素。分析功率模块的可应用性的判据有模块复杂度、散热能力、绝缘电压及漏电稳定性、内部连接承受温度或负载循环的能力、低电感的内部结构、静态和动态结构的对称性、低电磁干扰的内部结构、模块发生损坏时确定且不危险的行为、简单的安装和连接技术、以及无污染的制造过程及可回收性。

1.复杂度

最佳的复杂度不能用一个普遍适用的概念来定义，因复杂的模块可以降低系统的成本，还可以使在组合各个部件时可能产生的问题（寄生电感、干扰、接线错误）减到最少。随着模块复杂度的增加，其通用性则会降低（产量降低），且单只模块的测试数量和成本也随之增加。随着模块内部元器件和接线数量的增加，其损坏的概率也变大，发生故障时所需的修理也更复杂。对模块的驱动、测量和保护装置而言，也要求具有更高的散热能力和抗电磁干扰的能力。

目前，在驱动电路的集成方面还未形成各方所接受的“世界标准”。由于驱动功能经常地被集成到模块中，功率模块的通用性越来越受到限制，模块正在逐步成为子系统。

图3-5所示为应用广泛的含有IGBT和二极管的功率模块电路，图3-5a为单开关模块，由IGBT和反向二极管混合组成，若外电路为桥式电路，则反向二极管工作在续流模式下；图3-5b为两单元（半桥）模块，由两个IGBT和两个混合的反向二极管组成（续流二极管）；图3-5c为H桥（单相桥）模块，由两个含IGBT和续流二极管的桥臂组成；图3-5d为不对称H桥模块，在一条对角线上有两个IGBT以及混合反向二极管，而在另一条对角线上有两个续流二极管；图3-5e为三相桥（六单元或逆变桥）模块，由三个含IGBT和续流二极管的桥臂组成；图3-5f为斩波模块，由IGBT和反向二极管加集电极端的续流二极管组成；图3-5g为斩波模块，由IGBT和反向二极管加发射极端的续流二极管组成；图3-5h为三相桥GD加斩波GAL（制动斩波电路）模块；图3-5i为三单元模块，由三组开关组成；图3-5j为单开关加集电极端串联二极管（反向阻断开关）模块；图3-5k为单开关加发射极端串联二极管（反向阻断开关）模块；图3-5l为两单元模块，带串联二极管（反向阻断开关）。

2.散热能力

功率半导体器件的热阻与功耗的关系如式（3-1），式（3-2）所示。

R_ja=（T_j-T_a）/P=R_jc+R_ca=R_jc+R_cs+R_sa （3-1）

P=0.785V_TMI_AV+0.215V_T0I_AV （3-2）

式中，R_ja为模块芯片与环境之间的热阻；R_jc为模块的结壳热阻；R_ca为模块外壳与环境之间的热阻；R_cs为模块外壳与散热器之间的接触热阻；R_sa为散热器的热阻；T_j为模块芯片的温度；T_a为模块的使用环境温度；P为器件的通态耗散功率；V_TM为器件的通态峰值压降；I_AV为器件的额定通态平均电流；V_T0为器件的门槛电压。

图3-5 IGBT和续流二极管的功率模块单元图

由于模块采用绝缘的陶瓷片和单面散热结构，增加了热阻，导致在同等芯片尺寸和同等散热条件下，模块的电流容量降低了，因此对模块的结构设计和材料选取有特殊的要求。为了尽可能地充分利用芯片的理论电流承载能力，芯片所产生的功率损耗需要通过连接部分和绝缘层直接并安全地被引导至散热表面。芯片在导通与截止状态下以及在开关过程中会产生损耗P_tot。其散热能力可以用降落在芯片与散热器之间的温度差来描述：

ΔT_jh=T_j-T_h （3-3）

式中，T_j为芯片温度；T_h为散热器温度。

这个温差与损耗的商即为静态热阻R_thjh，在过渡过程中应使用热阻抗Z_thjh。模块内部的下列各单元对R_thjh和Z_thjh数值有影响：

1）芯片（表面、厚度、几何形状和放置）；

2）DCB基片的构造（材料、厚度、基片上表面的结构）；

3）芯片与基片之间连接的材料和质量（焊接、粘贴）；

4）底板的存在与否（材料、形状）；

5）基片底面与底板之间的焊接（材料、质量）；

6）模块的安装（表面状况、与散热片表面的热连接、导热脂或导热膜的厚度与质量）；

7）在复杂的功率模块中还有芯片之间的发热交互影响（热耦合）。

对于具有底板的模块来说，从底板至散热片的外部热阻以及热阻抗的符号为R_thch以及Z_thch，而从芯片至底板的内部热阻以及热阻抗的符号为R_thjc和Z_thjc。

R_thjh=R_thjc+R_thch （3-4）

Z_thjh=Z_thjc+Z_thch （3-5）

采用目前广泛应用的Al₂O₃作为DCB基片和铜底板的模块，热阻的最大一部分是模块的内部绝缘（如果采用薄膜或其他外部绝缘方式，其热阻还会再增加20%～50%）。标准的Al₂ O₃（热导λ=24W/m·K）DCB基片的纯度为96%。但若采用高纯度（99%）的Al₂ O₃或AIN（λ=150W/m·K）则可使热阻得到进一步的改善。所以，特别是在高绝缘电压的模块（绝缘陶瓷因而比较厚）中，AIN目前已受到了广泛的欢迎。(www.xing528.com)

一个外突预弯的接触面积提高了散热片和模块之间的热接触，对带有基板的模块外突的热接触面积是必需的，模块基板与散热片之间要有一定的机械压力。带有直接按压DCB的模块是采用封装把散热面积压到散热片上的，把半导体芯片焊到DCB衬底上后，衬底有一点轻微的内凹。当模块焊到PCB上和被外壳按压下时，衬底中央的引脚将承受拉力。这个拉力将减小DCB衬底中心和散热片之间的压力。

尽管底板由高导热材料（CV：λ=393W/m·K）组成，但由于其厚度（2.5～4.5mm）的关系使它的热阻仍然占据了模块热阻的较大部分。采用较薄的底板只能够有限地降低这一比重，原因在于厚的底板具有扩张温度场的效应，从而使芯片下层的热穿透面积增加。在不含底板的模块中，由于底板以及底面焊接的热阻不再存在，因而能够补偿这种热扩张效应的降低。如果采用将大面积的DCB压接在散热器上的封装技术，则芯片与基片之间的连接可以更紧密。含有底板的模块在焊接时不可避免地会产生变形，因为底板只能够在四周通过螺钉来固定到散热器上，模块与散热器的表面并不完全接触。

同样不可以忽略的是芯片和基片以及基片和底板（如果存在的话）之间的接触热阻，该界面多通过焊接而形成。在不采用底板的情况下，这一部分的热阻可以减少约50%。

基片的金属表面在热阻中所占的比例主要由上表面铜层的结构决定，该结构被用来放置芯片并实现模块内部的电气连接。由于基片底部铜层在垂直方向上的散热基本不受任何阻碍，所以热量的传导以及扩张效应实际受到芯片下面铜层几何形状的限制。硅芯片在总热阻中所占的比例随着芯片的厚度增加而增加，而芯片的厚度又是由其正向截止电压以及制造技术所决定的，芯片的面积决定了芯片与底板或散热器之间的传热面积。

3.绝缘电压与漏电稳定性

随着IGBT模块进入高电压应用领域，有关对高绝缘电压和高漏电稳定性的要求也相应增加。绝缘和漏电稳定性取决于芯片底部绝缘的厚度、材料、均匀度，以及外壳的材料。在某些情况下也取决于芯片的布置。目前，IGBT模块具有2.5～9kV（有效值）的绝缘测试电压。

4.负载循环能力

当开关频率小于3kHz时，特别是间歇运行时，例如，电梯或脉冲负载，负载的变化会导致模块内部连接部位的温度变化。模块的内部连接是指：

1）键接；

2）芯片底部的焊接；

3）陶瓷基片和金属底板之间的焊接；

4）金属与陶瓷基片间的熔接（金属铜生长于Al₂O₃或AlN之上）。

在加工和运行时，这些材料在长度方向上的膨胀系数是不同的，会因受热而产生变形程度的不一致，最终导致材料的疲劳和磨损。芯片的寿命（可能的开关次数）随着芯片温度变化幅度的增加而降低。由功率模块的结构可知，陶瓷基片和铜底板之间的焊接最为重要，因此有必要采用高质量的焊料和焊接方法，以避免陶瓷基片在温度大幅度变化时的变形和损坏。此外，采用多块陶瓷基片，用以减小单块基片的面积也是常用的办法，这个方法可以尽可能地减小温度膨胀的绝对数值。

5.功率模块内部的寄生电感

以图3-6所示的一个半桥模块为例，由于芯片之间的连接以及芯片对模块端子的连接（键接线和内部连线）必不可少，所以产生寄生电感。图3-6中的电感L_σG为栅极寄生电感；L_σC为上开关集电极寄生电感；L_σEC为上开关发射极与下开关集电极之间的寄生电感；L_σE为下开关发射极寄生电感；L_CE为上开关集电极与下开关发射极之间的总寄生电感。

由于这些电感会在关断时感应过电压，在开通时延缓电流上升速度di/dt，以及在控制和功率电路之间引起电感式耦合，如果模块内部的芯片是并联的，则寄生电感会引起芯片的动态不均衡以及芯片之间的振荡。减小模块内部的寄生电感可直接提高功率模块的性能。

6.功率模块绝缘基板

由于功率模块的电流和电压上升时间极短，多为ns级，所以会产生频率为MHz级的电磁干扰。干扰电压的幅度主要受模块内部的寄生组件和电磁干扰在模块内及接口处的传播途径的影响。通过选择合适的绝缘材料、减小耦合面积或者应用导电屏蔽可以降低非对称干扰。

图3-6 两单元IGBT模块的寄生电感

选择合适的内部连线结构，避免由于外部电磁场或者变压器式耦合对控制线的干扰而引起的误动作。电磁干扰在另一方面的体现是对地电流，对地电流源于绝缘基片的电容C_E，由IGBT在开关时所产生的dv_CE/dt引起，并通过接地的散热器流入保护地端子。

图3-7所示为IGBT不同绝缘基片单位面积的电容值，基于材料不同的电介质常数以及不同的标准厚度，其电容值C_E也不同，并决定了在最大允许对地电流条件下所允许的最高开关速度。标准厚度是由导热能力所决定的，例如，AlN基片值最大为630μm，IMS采用环氧树脂绝缘时为120μm，采用聚酰亚胺绝缘时为25μm。

图3-7 不同绝缘基片单位面积的电容值

7.机械振动

为了避免由振动波形在功率模块和散热片上传播而引起的引脚应力，功率模块和散热片之间确定的机械连接是十分必要的。模块和散热片之间的热接触及功率模块的机械设计和组装过程对这些敏感的过程有明显的影响。只有在模块的机械外形和外部固定物之间的误差很小时，才能避免因振动引起的引脚应力。