用于超紧凑功率模块的SKiN技术

引言

受对高功率密度、可靠性和降低系统成本需求的驱动，功率模块技术必须找到新的方法来满足市场需求。为了实现显著的性能提升，必须检讨现有的设计方法。在电动交通和可再生能源市场，连接和装配技术起着关键的作用。对紧凑型系统、高可靠性、低成本的需求意味着需要新的技术方法，并且应用于电力电子的经典模块 - 铜基板、焊接、模块外壳和绑定线 - 将逐渐从市场上消失。当今的6MW风力发电机组约使用3000cm2的硅面积（IGBT和二极管）。为了实现电力电子的高效性，必须实现新的逆变器概念。这意味着更高的硅利用率、更少的组件数量，而非常重要的是更少的机械和电气接口。如今，MW级的大功率逆变器都基于模块和/或逆变器的并联。这不但增加了成本更降低了整体可靠性。冗余是实现所要求的高效率系统的一个可选方法，唯一的缺点是初始投资较高。

图1：SKiN技术基于柔性箔取代绑定线。驱动器接口使用弹簧来接触柔性箔的表面。

     功率模块设计

SKiN封装技术是基于使用烧结层替代焊接[1]。在这种结构中，绑定线被烧结在芯片表面的柔性板所取代。与采用绑定线的系统不同的是，该芯片的上部和底部具有相同的金属化层（如银层），这意味着芯片顶部和底部的高可靠烧结层与电流路径广泛连接。绑定线只能接触约20%的潜在芯片接触面积。图1显示了采用SKiN技术连接IGBT和二极管，其中两侧带有铜层的柔性印刷电路板通过Ag扩散烧结附着在芯片上。弹簧提供辅助电气连接确保驱动器接口焊接少且非常紧凑。

功率半导体的最大允许功率耗散受最大允许结温、冷却介质的温度和芯片与冷却介质之间的热阻限制。在带有高性能水冷散热器的电力电子系统热模型中，导热硅脂是一个关键的影响变量，占了整个系统热阻的约30%。通过将DCB与散热器烧结在一起，可消除该缺点。将底板材料带入液体冷却回路时要非常小心长期腐蚀的影响。冷却介质和基板材料/涂层必须匹配。因此，铝是首选，因为当液体中含有少量的氧时，铝会自钝化（天然氧化铝）。但对于基板来说，铝又不是首选，因其热膨胀系数高并且与焊接的兼容性差。不过，也有办法来解决这些问题：使用银扩散烧结将一块纯铝的小面积针翅式散热器烧结到DBC基板。带基板的分层系统热阻和SKiN技术的对比表明，IGBT结温和冷却液温度之间的热阻下降了30%。图2显示出主端子也烧结到DCB基板上，提供了至直流母线的大电流接触。与电容器或直流母线的焊接可实现成本效益、紧凑且可靠的接口。在MW级范围内可利用高电流密度来产生高度紧凑且可靠的系统。

图2：基于SKiN技术、带有烧结主端子和辅助触点的模块

电感率

对于适用于高、中开关频率的模块，必须将IGBT和二极管之间杂散电感设计的小。这样具有高di/dt，可支持快速和低开关损耗。为了防止开关信号上的高噪声电平，主电路与辅助电路之间必须低耦合。使用的柔软铜层允许新的设计方法改进和简化的半桥电路的布局。对称布局使得换向通道短并且简化了并联操作，从而简化了IGBT之间的电流共享。基于带有主要寄生电感的模块仿真模型，可以计算出整体的换向电感。有端子和无端子两种情况下的TOP IGBT和续流二极管的换向电感值已计算出。

表1： 无端子和有端子时的杂散电感对比

图3：功率构建块中的模块布局

仿真结果表明，杂散电感主要来自主端子。两个SKiN单元的并联运行会使换相电感增加到25.7nH。与经典采用绑定线技术的模块相比，杂散电感（典型值）减小了10%。对电流换向期间的电流流动的分析表明，这种改进对于消除绑定线环路没有作用，但它还是有点被SKiN柔性电路层上电流路径的更小封闭侧面积所激发。与采用母线的模块设计相比，两个模块近距离并联可至少减少50%的杂散电感，这对于所期待的良好电流共享来说是一个很好的指示。由主端子所带来的主要电感可进一步通过不同的布局来加以改善。这显示出SKiN技术的适宜性将成为宽禁带材料的下一个封装平台。

多MW模块的装配概念

基于热性能和已实现的功率密度，已经完成一种新的设计方法，以一种不同的方式布局电力电子器件和散热器。对于液冷应用来说，最高可达功率密度是最大的好处。如今，大多数散热器被布置在相同的层级上作为模块和母线的主装配方向。体积更小的SKiN单元允许其他的设计方法。SKiN模块被布置在水冷散热器的对面形成一个功率模块构建块（图3）。主水流使用的是第三维。

水流通过配水管道流入四针翅式散热器。多个构建块被排列在一个配水通路上。相比SKiiP4设计，每平方厘米芯片面积的热性能Rth（ja）从0.36K/W下降至0.26K/W。通过优化的针翅设计，压降被最小化。分层的水流确保整个散热器表面接近完美的冷却性能。第一结果表明，对于4个并联的SKiN模块，芯片半导体结与水之间的热阻差异小于20%。实现了每个构建块的压降小于100mbar。每个构建块包含4个SKiN基础模块，提供700kW的输出功率。通过焊接在SKiN单元上相对侧的母线结构实现低电感的DC和AC连接。门极驱动器安装在SKiN模块的顶部，带来良好的开关控制。驱动板和电源部分之间是通过弹簧连接的（参见图4）。辅助触点的弹簧接口支持快速和可靠的无焊接装配。由于功率模块设计中首次实现卓越的热性能，在50°C的冷却液条件下600A的额定电流也是有效的RMS电流。通过在一个托架和分配导轨上布置4个这种构建块，可以实现高达3MW的超紧凑的功率模块。分配导轨提供驱动器接口和冷却液的连接。这一概念将当今已知功率模块的功率密度增加了一倍，并防止了单模块并联时的所有的困难。环境等级提升至污染等级为3级的3K4级，并支持安装在恶劣的环境中。与SKiiP3（2000年推向市场）相比，对于相同输出功率，占用面积减少了70%，可使逆变器尺寸减少35%。

图 4: 接触PCB板的弹簧和带有4个SKiN单元和驱动器板的紧凑型功率块的详细视图

动态性能

为了验证动态性能，对模块进行了开关测试。4个构建块被安装上的分布导轨上并配置为并联半桥。图6给出了一个1700V单元的开关特性。在1300V的直流母线电压下，它有可能开关2.000A，直到达到阻断电压限制。总共使用了16个额定电流为150A Icnom 的SKiN。相邻模块之间的近距离和低电感连接降低了电感，使得并联单元之间具有优越电流共享。每个功率块也具有优异的过载能力，而且不需要任何吸收电容。对于1个功率块的，2400A的脉冲开关测试已经完成。

结论

SKiN技术是一个革命性的技术进步。它通过无绑定线封装技术平台增强了可靠性，减小了热阻并改进了内部寄生电感。不过，为了利用这一新技术所带来的优势，对于这一新封装平台，模块的外形和系统配置是不同的。

由于去除了热界面材料并集成了一个高性能的针鳍式散热器，与传统设计相比，有可能增加一倍的功率耗散。仅去除导热硅脂一项就可以减少25%的芯片结到水的总热阻。基于SKiN技术的单元是支持紧凑装配的构建块。这是由主端子的无螺丝连接和采用弹簧接触连接驱动板来得以保证的。一种新的设计方法，采用3 MW水冷式模块用于风电变流器，显示出与基于标准模块的解决方案相比，可以实现2倍的电流密度。风电逆变器应用的监管要求对诸如电压和低频穿越条件等电网支持有着苛刻的要求。功率模块必须支持这些条件，具有在过载或高压的条件下运行的能力。有了这一模块概念，在机舱空间有限的情况下，也可以很容易地实现3MW以上的风电逆变器。与中压系统相比，由于限制更少和成本更低，利用这些已知优势将会为低压逆变器开辟6MW以上的市场。有了SKiN技术，包含新宽禁带材料功率器件的封装技术已经出现，并允许它们被用在中高功率领域。