摘要

? ? ? ?功率模塊封裝受到近期 SiC 芯片發展的挑戰。如今，額定電流高達 100A 的 SiC MOSFET 芯片已上市。汽車應用需要高于 800A 額定電流的大電流快速開關 SiC MOSFET 功率模塊。為了達到這些功率水平，需要大量并聯 SiC 芯片。

? ? ? 這種大電流功率模塊的設計面臨三個主要挑戰：

? ? ? 首先，由于 SiC 器件的高開關速度，換流回路電感必須顯著提高到 4nH 以下的水平。

? ? ? 其次，由于 SiC 芯片尺寸的限制，許多芯片必須并行工作，這需要電源模塊內部的電源和柵極電路非常對稱的布局。

? ? ? 第三，必須優化直流母線電容器連接，以保證總換流電感低于 6nH，以避免不受控制的過壓。

? ? ? 為了保證功率模塊和直流母線電容器設計之間的可靠連接，焊接連接是首選。如今，許多大功率模塊仍然采用螺紋連接，這會增加制造成本并面臨長時間的連接電阻變化。

? ? ? 本文介紹了一種采用 3D 設計的新電源模塊：

? ? ? 1）DC+ 銅排一層；? ?

? ? ? 2）DC- 銅排一層；?

? ? ? 3）兩層重疊并保證非常低的換流電感，如圖 1：

? ? ? ?要實現具有焊接端子的低雜散電感模塊，必須解決兩個新的主要挑戰：

1）如何設計保證低電感的焊接端子？

2）如何設計焊接設計中的直流母線電容器連接？

? ? ? 在本文中，我們將介紹：

1）采用優化的 SiC 芯片設計的新型功率模塊 eMPack 并解釋 3-D 設計技術，如圖 2；

2）引入新的互連技術，不使用鍵合線的 SiC 芯片，如圖 3 ；

3）可焊接連接技術，如圖 4；

1. 功率端子設計

? ? ? ?商用功率模塊（圖 1）總是使用類似的功率端子結構。DC 和 DC- 是并聯的，一些方法試圖通過外殼內部的特殊設計來降低電感，根本問題解決不了。功率端子之間的距離會產生雜散電感，并且與直流母線電容器的連接采用類似的設計，并帶有額外的雜散電感。

? ? ? ?圖 5 至圖 7 展示了Semikron對雜散電感的優化設計：

? ? ? ?疊層的功率端子設計將保證低雜散電感并保證快速開關過程中的低關斷電壓。

2. 焊接連接

? ? ?在大批量生產過程中，螺紋端子會耗費時間（金錢）并且會產生可靠性問題。可焊接端子易于在每個生產過程中實施。許多激光焊接設備供應商可以提供優質的服務并幫助建立生產線。在焊接過程中，連接部件之間必須實現“0 間隙”。必須向可焊接部件提供一定壓力。與螺紋端子相比，焊接連接將提供非常低的接觸電阻， 5mm^2的焊接面積電阻＜4uΩ，損耗 < 1W@500A 。

? ? ? 激光焊接功率還應需要仔細設計，焊接過程中工藝順序也需要進行定義。

3. SiC芯片的DCB設計

? ? ? ?SiC芯片非常小（大約25mm2），并且在13mOhm范圍內有一個Rdson。為了達到更高的功率，并聯是必須的。eMPack特殊的柔性電路板設計（而不是綁定線）保證了均勻的溫度分布，以實現大電流（900A rms）的最小化DCB尺寸。

? ? ? ?疊層結構（圖10）節省了DCB設計的空間。DC+/-是一個3D設計，而不是傳統的2D設計。通過這種特殊的設計，可以實現低換向電感通過這種特殊的設計可以實現低換向電感。此外可以實現更高的電流密度。

? ? ? 疊層式設計可以實現換向電感在1nH范圍內。WBG(SiC)器件可以充分發揮性能。DCB通過材料優化以達到優化的熱阻。

4.直流母線電容連接

? ? ? ?eMPack需要低電感連接的電容器設計，傳統的電容器設計有幾個端子的傳統電容器設計不適合用于本功率模塊的連接。

? ? ? 傳統直流母線電容器并沒有為低雜散電感連接到功率模塊而進行優化。改善雜散電感可以通過為功率模塊提供更多連接端子的電容器來實現。

? ? ? 另外，在這個電容器的端子設計中端子之間的距離過大，將產生一個額外的電感。SiC 芯片的開關速度非常快，每一個nH的減少都將有助于以減少過電壓。

? ? ?eMPack已經提供了非常低的雜散電感，但如果電容器的連接不匹配，這就不能使用。

? ? ? eMPack是一個用于最新芯片技術的功率模塊。eMpack是未來的封裝技術，可快速開關的功率器件，許多汽車公司中已經在試應用。

? ? ? 圖14顯示了一個緊湊的電氣逆變器設計。500kW僅6升的體積。

總結

? ? ? ?封裝技術將是未來WBG器件的最大挑戰。為了保證WBG器件的全部性能，優化DCB和功率端子設計是必要的。大批量的生產需要優化的裝配工藝。引入的可焊接端子是未來的正確方向。

? ? ? ?這篇是PCIM上Semikron發布的paper，Semikron在模塊封裝上還是有很多獨到之處。極致的低雜散電感對于SiC性能的發揮至關重要，如何減少整個功率回路的雜散電感涉及到功率模塊封裝，電容layout，電容和功率模塊的連接，Semikron的這個方案整個主回路雜散電感可以做到小于10nH，是目前看到的最極致的設計。

來源：微矩電動