在電力電子領(lǐng)域，面臨的挑戰(zhàn)是如何在更小的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更高的功率傳輸并降低成本。這些目標(biāo)往往相互矛盾，導(dǎo)致必須做出妥協(xié)。更高的電流會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部的熱應(yīng)力增加，從而縮短其使用壽命。

為了解決這個(gè)問題，可以考慮使用損耗更低的解決方案，比如用SiC-MOSFET替代IGBT。不過，這樣的解決方案會(huì)更昂貴。另一種方法是改善冷卻效果，但絕緣基材在熱傳導(dǎo)上存在物理限制，而解決辦法就是放棄絕緣要求。

半導(dǎo)體模塊的比較

最常見的半導(dǎo)體模塊采用直接銅結(jié)合基材(DCB)和絕緣陶瓷層。這種設(shè)置可以承載多個(gè)芯片，通過對(duì)上層銅層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以處理不同的電位。圖1示意性地描繪了這種方法。

相比之下，高功率碟形器件通常與電活性冷卻板結(jié)合，如圖2所示。在圖1所示的設(shè)置中，陶瓷層提供了主導(dǎo)的熱阻。高性能陶瓷如氮化鋁(AlN)具有高達(dá)180 W/(mK)的導(dǎo)熱性。然而，為了達(dá)到所需的絕緣效果，所需的厚度導(dǎo)致了較大的熱阻。圖2中的設(shè)置改善了熱性能，因?yàn)樵诠β拾雽?dǎo)體與散熱器之間不涉及電絕緣。因此，必須使用電絕緣的冷卻液，如去離子水/防凍液混合物，并且其絕緣特性必須進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)。

消除熱阻

為了消除DCB的主導(dǎo)熱阻，采用了一種方法，將IGBT芯片直接焊接到一個(gè)適合的液體冷卻板上，該冷卻板尺寸為40 x 80 mm2。這樣，冷卻板就成為了IGBT集電極的電連接。DCB基材則用于在發(fā)射極和控制端子側(cè)安裝功率端子。為了克服連接線帶來的限制，基于不同裝配技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)測(cè)試樣件。

在這里，使用了一種具有可焊接前面金屬化的不同芯片。連接線被用焊接到IGBT前面的連接夾替代。由于夾子無法直接焊接在芯片上，因此首先將接口墊焊接到IGBT上。圖3展示了得到的測(cè)試樣件。

進(jìn)行了基于紅外相機(jī)的測(cè)量，結(jié)果顯示每個(gè)芯片可承載200 A的電流，如圖4所示。

通過使用連接線所施加的任何限制已被消除。在超過連接線能夠承受的電流密度下，夾子的溫度保持在100°C以下。

本研究使用了一種額定電流為150A的標(biāo)準(zhǔn)芯片。今天的工業(yè)邊界條件包括最大入口溫度為65°C，最大芯片溫度為175°C。測(cè)量結(jié)果顯示該設(shè)置能夠從芯片散發(fā)出最多380W/cm2的功率損耗密度。值得注意的是，額定150A的芯片在處理200 A時(shí)仍然在其熱限制范圍內(nèi)。對(duì)于目標(biāo)熱條件和65°C的入口溫度，最大結(jié)溫Tvj=175°C在250 A時(shí)達(dá)到。

電氣測(cè)試

盡管研究重點(diǎn)關(guān)注熱性能，但基本的電氣行為也進(jìn)行了測(cè)試。雙脈沖測(cè)試的結(jié)果總結(jié)在圖5中。

測(cè)試顯示開關(guān)干凈，但由于測(cè)試設(shè)置的性質(zhì)，沒有進(jìn)一步調(diào)查的細(xì)節(jié)。雖然所研究設(shè)備的布局未針對(duì)開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化，也未期待完美的開關(guān)行為，但結(jié)果仍然足夠好，可以轉(zhuǎn)化為潛在的系列開發(fā)。

循環(huán)負(fù)載測(cè)試

卓越的熱性能是延長(zhǎng)電力電子元件使用壽命的關(guān)鍵因素。在第二種設(shè)計(jì)中，幾個(gè)設(shè)備按照IEC 60749定義進(jìn)行了功率循環(huán)測(cè)試(PCsec)。

預(yù)期的是，墊片和夾子組合的壽命會(huì)高于使用連接線的系統(tǒng)，因?yàn)檫B接線的失效機(jī)制如連接剝離和連接腳裂紋被消除。然而，由于墊片焊接在芯片的前面，這一接口的剝離最終是不可避免的。測(cè)試在12°C的入口溫度下進(jìn)行。在一個(gè)4秒的周期內(nèi)，負(fù)載電流為250 A，觀察到芯片溫度的波動(dòng)為90 K。圖6顯示了卓越的熱性能和冷卻板內(nèi)部的低熱擴(kuò)散。

需要注意的是，此測(cè)試中的IGBT額定芯片電流僅為150 A。因此，盡管在給定的芯片溫度熱限制內(nèi)，芯片的工作電流遠(yuǎn)超現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的參數(shù)。

此測(cè)試的壽命終止標(biāo)準(zhǔn)是在前向電壓上升5%。這個(gè)值在大約145,000個(gè)循環(huán)后到達(dá)。而在這些條件下，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)約達(dá)到80,000個(gè)循環(huán)。考慮到芯片金屬化、焊料合金和焊接工藝的進(jìn)一步改進(jìn)，達(dá)到至少兩倍于焊接連接設(shè)備的功率循環(huán)能力似乎是合理的。

潛在應(yīng)用及其帶來的好處

所選結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)的功率密度表明，這種設(shè)計(jì)旨在用于高功率應(yīng)用。已經(jīng)具備液體冷卻并要求高功率傳輸?shù)膽?yīng)用，特別可以受益于絕緣功率半導(dǎo)體配置。

這種方法針對(duì)風(fēng)力發(fā)電的可再生能源生成或通過感應(yīng)加熱進(jìn)行金屬焊接。由于散熱器與IGBT的集電極形成連接，這種方案非常適合構(gòu)建具有高電流承載能力的單開關(guān)，如圖8所示。

該版本配備250 A芯片組，類似于一個(gè)額定1200 A的單開關(guān)，體積為123.5 cm3。

由兩個(gè)這樣的器件構(gòu)成的半橋大約占用250 cm3的空間。相比之下，當(dāng)前使用的高功率模塊最多需要700 cm3。

集成液體冷卻的另一個(gè)好處是，所需的外殼不再承受電力半導(dǎo)體常見的高溫。這為使用低檔塑料，甚至是易于回收的材料打開了道路，這將在未來幾年成為重要課題。

就資源使用而言，由圖8中的設(shè)備構(gòu)建的半橋質(zhì)量低于0.7 kg，低于當(dāng)前設(shè)計(jì)的一半。

通過用鋁替代銅散熱器，犧牲部分性能可實(shí)現(xiàn)成本和重量的減少。

高效的冷卻也是充分發(fā)揮具有非常高去飽和極限IGBT能力的關(guān)鍵。前向電壓、開關(guān)性能和短路魯棒性構(gòu)成了IGBT技術(shù)優(yōu)化的限制三角形。低開關(guān)損耗的芯片往往具有更高的前向電壓，反之亦然，只要短路能力不受影響。圖9反映了優(yōu)化為低前向電壓的IGBT的前向電壓。

這個(gè)額定電壓為1200 V、額定電流為200 A的芯片在該工作點(diǎn)上產(chǎn)生240 W的損耗。盡管該芯片可以輕松承受高達(dá)450 A的電流，但損耗會(huì)增至720 W，或者在這種情況下為360 W/cm2。

在使用陶瓷絕緣材料的組件中，這種功率損耗密度會(huì)導(dǎo)致芯片溫度過高，即使安裝了高性能陶瓷也不例外。

通過直接液體冷卻的方法，已實(shí)現(xiàn)高達(dá)380 W/cm2的功率密度，使芯片在該工作點(diǎn)下能夠正常工作而不超過其熱限制。

因此，圖8中的設(shè)備能夠承載超過2 kA的電流，可能接近所用端子的可容忍電流密度極限。

推動(dòng)電力半導(dǎo)體功率密度的極限

由于絕緣要求，當(dāng)前電力半導(dǎo)體的功率密度提升存在物理限制。為了突破這些限制，必須識(shí)別出更有效地從電力半導(dǎo)體中提取熱量的新方法。一種方法是結(jié)合適合的芯片和互連技術(shù)的直接液體冷卻。這種從傳統(tǒng)絕緣組件轉(zhuǎn)向非絕緣組件的轉(zhuǎn)變，為提升功率密度提供了十倍的可能性。

這不僅限于IGBT技術(shù)，也可以同樣轉(zhuǎn)移到寬禁帶半導(dǎo)體上。