最近，Littelfuse全球首席应用工程师Martin Schulz发文公布了他们与德国戴姆勒卡车集团、Steinbeis研究所合作的一项主驱功率模块技术创新成果。
据介绍，Littelfuse和戴姆勒卡车合作开发了一种非隔离式的功率模块架构，该架构通过取消陶瓷基板，改用绝缘冷却液，从而将功率模块的热量降低78%以上，同时功率循环寿命提升了100倍。
目前，他们正在将原型产品组装到功能齐全的逆变器中，先在实验室中进行满载测试，随后将进行道路测试和测功机验证。
2种功率模块结构示意图
这些研究所瞄准商用车逆变器。据Littelfuse介绍，商用车的功率模块散热压力比乘用车要大。这是因为重型卡车或大巴的电驱逆变器通常体积小于5 dm³，但是其功率至少高达600 kW，功率密度要求高达约120 kW/dm³。由于功率大，即便逆变器的效率高达99%，仍有约 6000W的损耗会变成热量，需要采用液冷等形式将热量排出。
而将这些热量高效排出的瓶颈在功率模块内部。这是因为传统功率模块通常采用陶瓷基板，将IGBT或者碳化硅芯片与冷却系统进行电气隔离，这是必要的安全性措施。但是隔离材料通常的导热性都比较差（无论是陶瓷基板还是其他材料），因此陶瓷基板是IGBT或者碳化硅芯片耗散热量的最大障碍。
如下图所示，功率模块的芯片热量散热路径非常多级：芯片→焊料→AMB/DBC基板（铜→陶瓷→铜）→焊料→铜基板→散热片。
功率模块结构与散热路径
而在主驱逆变器的实际安装中，通常会把IGBT/碳化硅模块安装到封闭式的液体冷板上，为了提升散热能力，功率模块的底部会增加针鳍等表面结构来增加湍流和接触面积，但最大的热阻层——陶瓷基板依旧存在。
传统功率模块的电气隔离是用陶瓷基板把IGBT/碳化硅芯片与冷却液隔开，而Littelfuse和戴姆勒卡车采取不同的思路——让冷却液本身提供隔离功能。
据介绍，他们合作开发了一种非隔离式功率半导体组件，将IGBT和二极管直接安装到液冷板上，利用冷却液本身的介电特性作为隔离屏障，这样就消除了传统模块的陶瓷基板和其他焊料层、铜基板等若干堆叠层。据介绍，这种隔离冷却液采用了去离子水/乙二醇混合物。
Littelfuse和戴姆勒卡车认为，这种将隔离功能转移到器件周围的介电冷却液的新型设计，可以带来系统效率、功率循环寿命、可靠性和材料成本等好处。
基于IGBT/二极管（单芯片1200 V/150 A），他们构建了一个4并模块进行测试，模块使用专有的接铜夹片互连技术来降低电阻损耗和工作温度。
测试结果显示，结到冷却液的热阻低于0.08 K/W，整个模块在热极限内可持续承载800 A直流，同时冷板可轻松将模块产生的1300 W热量带走（前面提到6000W，降幅达到78%以上）。
该研究团队通过梅赛德斯-奔驰GenH2卡车的700公里运行循环测试表明，与传统的隔离式模块相比，水/乙二醇冷却的非隔离式设计使IGBT结温降低了82.9 K，二极管结温降低了87.8 K，同时使模块总损耗降低了约15%。
同时，这种更低的结温和更小的温度波动能大幅提高模块的功率循环寿命。结合铜夹片互连方式和温度波动的降低，根据测试结果，与传统的焊料键合、陶瓷绝缘设计相比，新的非隔离式设计的功率循环能力至少提升两个数量级。这一改进使该设计的寿命从数十万次循环提升至数千万次循环。
该团队表示，这项技术并不局限于硅基IGBT，同样的架构也可用于碳化硅MOSFET。
本文发自【行家说三代半】，专注第三代半导体（碳化硅和氮化镓）行业观察。
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