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电源学报•热点论文
双面散热SiC功率模块温度均匀性和开关特性评估
作者：廖淑华1,2 周锦源3, 李敏1,2, 雷光寅1,2
（1.复旦大学工程与应用技术研究院超越照明所；2. 复旦大学宁波研究院；3.中汽创智科技有限公司）
DOI：10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.100
引用信息：
廖淑华, 周锦源, 李敏, 雷光寅. 双面散热SiC 功率模块温度均匀性和开关特性评估[J]. 电源学报. 2024, 22(3): 100-110.
LIAO Shuhua, ZHOU Jinyuan, LI Min, LEI Guangyin. Evaluation of Temperature Uniformity and Switching Characteristics of Double-sided Cooling SiC Power Module [J]. Journal of Power Supply. 2024, 22(3): 100-110.
研究背景
碳化硅MOSFET因其材料特性被广泛应用于新能源汽车的高压、高频和高功率密度场合。在考虑双面水冷散热过程中，往往忽略芯片布局间距对于散热以及芯片温度均匀性的影响，未考虑芯片温度均匀性对于多芯片并联电流均匀性的影响。针对上述问题，设计一种双面水冷的封装结构，分析不同芯片布局间距对芯片温度均匀性的影响，分析不同结温及不同芯片布局对寄生参数及开关特性的影响，并针对不同芯片布局间距和不同液冷工况采用大量仿真及响应面对比分析，验证了所提方法的有效性，可为SiC功率模块封装对芯片温度均匀性及开关特性的影响提供技术方法指导和定量分析。
重点内容
1、不同芯片布局及温度均匀性分析
1.1 双面散热SiC功率模块的封装结构
功率模块的各个组成部件中，最主要的组成部件是芯片。芯片是整个模块的核心，衬板则为模块提供散热和绝缘。本文设计的结构采用4颗Rohm第四代芯片进行封装，此结构栅极和源极分别两边布置，上下桥臂对称分布，能够有效提高电流并联均匀性；DC端采用叠层母排设计，有利于整体回路中的寄生电感；AC端母排长度较长，也将对寄生参数产生影响。将4颗芯片的间距作为设计仿真的变量，分析不同间距对于散热效果的影响。从散热结构看，4颗芯片之间的间距和排布较均匀，有利于后续每颗芯片的温度均匀性。图1为双面水冷布局结构，图2为典型双面散热全桥功率模块逆变砖爆炸示意。
图1 双面水冷布局结构
图2 典型双面散热的全桥功率模块逆变砖爆炸示意
1.2 芯片布局对于温度均匀性的影响
通过不同芯片布局变量计算分析芯片间距对于温度均匀性的影响。双面散热纵向结构、芯片布局间距变量、不同芯片间距的温度及其变化情况分别如图3~图6所示，可以看出：芯片间距与芯片温度均匀性呈正相关性，芯片之间的间距越大，温度表现越均匀。
图3 双面散热纵向结构
图4 芯片布局间距变量
图5 不同芯片间距的温度
图6 芯片间距对于温度均匀性影响
半桥模块各颗芯片的热阻分布如图7所示。在半桥模块中，芯片的热阻有所不同。其中，从纵向材料热阻看，纵向热阻基本一致，这也进一步说明芯片布局对于温度均匀性有较大的影响。虽然双面水冷散热结构主要是由上向下纵向带走热量，但在横向布局上仍对热阻有一定的影响。因此，在设计双面水冷散热模块时，不仅要考虑热阻的要求，还需要考虑芯片的温度均匀性，且芯片温度均匀性和芯片间距呈正相关性。
图7 纵向材料对于芯片热阻的影响
1.3 芯片布局结构对寄生参数的影响
采用不同芯片间距布局结构对于寄生参数的影响不同。其中，寄生电感对于SiC MOSFET开关特性尤为关键。电感是导体固有的杂散参数，通常由导体的尺寸、形状和材料决定。本文研究的片间距对寄生参数的影响如图8所示。可以看出：间距D1和D3对于栅极电感Lgs、源极电感Lss和漏极电感Lds均有较大影响；Lgs、Lss与D1、D3呈正相关，对回路进行分析可知D1、D3的增大会增加回路路径的长度，从而影响寄生电感；间距D1、D3与Lds呈负相关，从回路分析可知间距的增加缩小Lds的回路面积。
图8 芯片间距对于寄生参数的影响
2、不同结温及寄生参数对于SiC MOSFET开关特性的影响
2.1 芯片结温对于SiC MOSFET开关特性的影响
芯片结温会影响SiC MOSFET 的开关特性，而在双面水冷封装过程中，温度不均匀性也将影响电流均匀性，特别是在多芯片并联的情况下。图9为温度对于SiC MOSFET开关特性的影响，可以看出：温度对于漏极电流Id有较大影响，开通过程中，Id变化率dId/dt随温度的增加而增大；在关断过程中，与导通正好相反，随着温度升高，dId/dt逐渐减小。此外，还可以看到，温度对于漏源极电压的影响较明显，随着温度升高，开通过程中Vds曲线向左偏移，而关断过程中Vds曲线向右偏移。
图9 温度对于SiC MOSFET开关特性的影响
2.2 模块寄生参数对于SiC MOSFET 开关特性的影响
栅极驱动电阻通常是影响SiC MOSFET开关特性的关键因素，会极大影响SiC MOSFET 开关速度。驱动电阻对SiC MOSFET开关特性的影响如图10所示，可以看出：当Rg较小时，由电流Id和漏源极电压Vds可以看出SiC MOSFET开通和关断速度明显提升；当Rg较小时，由栅极电压Vgs可以看出模块开关速度上升后，也带来了栅极电压Vgs的振荡加剧。因此，在考虑模块提高开关速度的同时也要考虑模块的可靠性，但Vgs振荡可能带来的问题在实际工程中需根据实际情况选择合适的驱动电阻值。
图10 驱动电阻对SiC MOSFET 开关特性的影响
在高速的开关过程中，SiC MOSFET也会由于回路中的寄生电感而引起开关波形的振荡，从而引起整个电路中振铃现象的产生，造成整个功率设备EMI恶化和运行故障的产生。图11为根据不同双面水冷布局结构抽取寄生电感的SiC MOSFET开关波形，可以看出：虽然栅极寄生电感Lgs均较大，且由电流Id和漏源极电压Vds可以看出影响并不大，尤其对Vds基本无较大变化，但是由栅极电压Vgs可以看出还是有较大的振荡。
图11 寄生电感对SiC MOSFET 开关特性的影响
2.3 结温及模块寄生参数对于SiC MOSFET开关特性响应面分析
由2.1 节和2.2节分析可以得到SiC MOSFET开关特性受结温和模块寄生参数的影响，并且可以通过响应面方法来分析各类因素与SiC MOSFET开关特性的响应关系，找到主要影响因素和次要影响因素，即Tj结温、漏极寄生电感Lds、栅极电阻Rg是影响开关特性di/dt 的主要因素，而栅极寄生电感Lgs和源极寄生电感Lss是次要因素。
2.4 结温对于SiC MOSFET开关特性影响机理分析特性响应面分析
本节具体分析结温Tj对于开关特性的影响机理。温度的变化直接影响载流子浓度的变化及沟道电子迁移率的变化。随着温度的变化，载流子浓度会逐渐增大，从而会引起MOSFET阈值电压变化。本文分析可知：当结温升高时，开通过程中VMiller降低，电压下降时间dv/dt 降低。而结温同时影响器件导通电阻RDS(on)，导通电阻具有正温度特性，随着温度升高，导通电阻RDS(on)相应升高，从而会影响SiC MOSFET的开关特性。
结论
(1)双面水冷散热结构主要是由上向下纵向带走热量，但是在横向布局上仍对热阻有一定的影响。同时芯片间距与温度均匀性呈正相关性，芯片之间的间距越大，温度表现越均匀。
(2)从寄生电感随芯片间距的变化关系可以看出，芯片间距布局对不同寄生电感影响不同，栅极和源极寄生电感和间距呈正相关，漏极寄生电感和间距呈负相关。
(3)温度对漏极电流Id有较大影响，在开通过程中，Id变化率dId /dt 随温度增加而增大；在关断过程中，和导通正好相反，随着温度升高，dId /dt 逐渐减小。
(4)对于di/dt 影响较大的因素分别为栅极电阻Rg、漏极寄生电感Lds及芯片结温，并通过响应面方法建立了多因素对于di/dt的函数关系，可为未来共模EMI问题提供技术方法和定量分析。
责任编辑：李 凤
责任校对：郭凯凯
审 核 人 ：陈国珍
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