【導讀】本文提出一個用尺寸緊湊、高成本效益的DC/AC逆變器分析碳化硅功率模塊內(nèi)并聯(lián)裸片之間的熱失衡問題的解決方案，該分析方法是采用紅外熱像儀直接測量每顆裸片在連續(xù)工作時的溫度，分析兩個電驅(qū)逆變模塊驗證，該測溫系統(tǒng)的驗證方法是，根據(jù)柵源電壓閾值選擇每個模塊內(nèi)的裸片。我們將從實驗數(shù)據(jù)中提取一個數(shù)學模型，根據(jù)Vth 選擇標準，預(yù)測當逆變器工作在電動汽車常用的電壓和功率范圍內(nèi)時的熱不平衡現(xiàn)象。此外，我們還能夠延長測試時間，以便分析在電動汽車生命周期典型電流負荷下的芯片行為。測試結(jié)果表明，根據(jù)閾壓為模塊選擇適合的裸片可以優(yōu)化散熱性能，減少熱失衡現(xiàn)象。
摘要
本文提出一個用尺寸緊湊、高成本效益的DC/AC逆變器分析碳化硅功率模塊內(nèi)并聯(lián)裸片之間的熱失衡問題的解決方案，該分析方法是采用紅外熱像儀直接測量每顆裸片在連續(xù)工作時的溫度，分析兩個電驅(qū)逆變模塊驗證，該測溫系統(tǒng)的驗證方法是，根據(jù)柵源電壓閾值選擇每個模塊內(nèi)的裸片。我們將從實驗數(shù)據(jù)中提取一個數(shù)學模型，根據(jù)Vth 選擇標準，預(yù)測當逆變器工作在電動汽車常用的電壓和功率范圍內(nèi)時的熱不平衡現(xiàn)象。此外，我們還能夠延長測試時間，以便分析在電動汽車生命周期典型電流負荷下的芯片行為。測試結(jié)果表明，根據(jù)閾壓為模塊選擇適合的裸片可以優(yōu)化散熱性能，減少熱失衡現(xiàn)象。
I.前言
電驅(qū)逆變器是業(yè)界公認的混動車和電動車的核心部件，從最初的幾十千瓦，到現(xiàn)在的數(shù)百千瓦，它們對額定功率的要求越來越高。中高功率逆變器要求功率模塊的標稱電流高達數(shù)百至數(shù)千安培。只能通過并聯(lián)多個裸片，有時并聯(lián)多個子模塊(在同一個封裝基板上集成多個裸片)，甚至多個功率模塊，才能達到如此高的電流[1]。
在這種情況下，重量、尺寸和成本是制約功率模塊設(shè)計的主要因素。最初使用IGBT設(shè)計的三相半橋逆變器解決方案已經(jīng)非常普及，目前采用性能更高的碳化硅功率模塊設(shè)計逆變器是一種新趨勢。功率模塊設(shè)計通常是熱性能和電性能之間的權(quán)衡與折衷。設(shè)計良好的功率模塊，能夠在上下橋臂開關(guān)管之間以及開關(guān)管內(nèi)部裸片之間均衡分配電流，前提是它們的靜態(tài)參數(shù)差異不大。此外，良好的電路布局意味著，只有裸片之間互熱效應(yīng)合理，熱應(yīng)力才能分布均衡[1]。
本文介紹一個電驅(qū)逆變器模塊連續(xù)工作測溫系統(tǒng)的開發(fā)步驟和過程，并分析了影響功率模塊使用壽命的并聯(lián)碳化硅裸片之間的熱失衡現(xiàn)象。電路布局引起的寄生元件和靜態(tài)參數(shù)（例如，通態(tài)電阻和閾值電壓）是引起并聯(lián)器件熱失衡的主要因素。論文[2]中詳細論述了電路布局的不對稱性，它會影響柵極到源極環(huán)路，引起串聯(lián)電感，并導致驅(qū)動環(huán)路不匹配，從而嚴重影響并聯(lián)器件的動態(tài)性能。
論文[3]中描述了如何通過紅外熱像儀圖像分析功率模塊在穩(wěn)態(tài)下的熱失衡問題。雖然通態(tài)電阻分布范圍是一個重要的靜態(tài)參數(shù)，但是電阻與溫度的關(guān)系將會補償通態(tài)電阻的分布范圍。事實上，芯片升溫將會減輕漏源通態(tài)電阻自然分布范圍引起的熱失衡現(xiàn)象。
本文將重點討論另一個關(guān)鍵參數(shù)：閾值電壓(Vth)，它對開關(guān)的導通和關(guān)斷性能影響很大，從而影響功率開關(guān)的能量損耗。兩個并聯(lián)芯片之間的閾壓Vth差會導致能耗失衡，最終影響整個功率模塊的性能。論文[4]詳細地描述了 Vth 對開關(guān)能耗的影響，證明當Vth 升高 500mV時，導通狀態(tài)耗散功率升幅可能高達 40%。
根據(jù)這個論據(jù)，我們認為有必要建立一個能夠在正常工作條件下直接測量開關(guān)溫度的測溫系統(tǒng)，以評估和表征功率模塊內(nèi)不同裸片的散熱性能。不僅在生產(chǎn)線上設(shè)法最大限度縮窄工藝的參數(shù)分布范圍，包括閾壓Vth的分布范圍，還需要根據(jù)模塊內(nèi)距離最近的兩個芯片之間的微小差異，在模塊組裝層面采取進一步的改善行動。我們利用這一概念組裝了兩個不同的功率模塊：第一個模塊叫做 GAP1，內(nèi)部裸片閾壓Vth的最大分布范圍是250mV（圍繞平均值+/- 125mV），第二個模塊叫做GAP2，Vth的最大變化范圍是 500mV（圍繞平均值+/-250mV）。采用兩個不同的開關(guān)頻率進行測試：電驅(qū)逆變器的典型工作頻率8kHz和12kHz。眾所周知，耗散功率的增加與開關(guān)頻率成正比。
A.實驗裝置
我們的主要目標是設(shè)計開發(fā)一個溫度測量系統(tǒng)，使我們能夠在更接近電驅(qū)逆變器的實際應(yīng)用環(huán)境中測量功率芯片的溫度。因此，必須從適合的機械部件以及液壓、電氣和電子組件開始，使所有組件都指向上述目標。下圖是已實現(xiàn)的最終溫度測試系統(tǒng)的框圖。
圖1：完整的測溫系統(tǒng) – 框圖
測溫系統(tǒng)的液壓部分是由冷水機、進水閥、出水閥組成，冷卻液在液壓管道內(nèi)循環(huán)流動，為被測溫裝置散熱。進水閥溫度和流量以及水套（水箱）的外觀尺寸是決定逆變器尺寸的重要參數(shù)，因為它們直接影響封裝的RTH熱阻率。冷卻液是乙二醇和水的50%-50%混合物，這是變頻冷卻器回路中常見的冷卻液配制方法。為了測量冷卻液的流量，在被測溫裝置前面連接一個流量計，在我們的實驗中，冷卻液流量設(shè)為每分鐘 3.7 升。采用溫度計檢測功率模塊進水閥的冷卻液溫度何時達到65℃的參考溫度。鋁制散熱器為功率模塊散熱，功率模塊的柵極信號由專門的柵極驅(qū)動板提供。圖 2 是測溫實驗設(shè)置。
圖2：實驗裝置
下面是設(shè)備清單
表1：測試設(shè)備
B. 被測溫設(shè)備和柵極驅(qū)動板設(shè)計
我們在一個連續(xù)高頻工作的碳化硅三相功率模塊上進行熱分析。特別是，把功率模塊的中間橋臂斷開，將橋臂U 和橋臂 W的交流端子連接1.2mH的電感負載，獲得一個全橋拓撲（圖 3）。
圖3：半橋等效電路
如何通過多層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)驅(qū)動模塊是在開發(fā)測溫系統(tǒng)時需要重點考慮的一個因素。第一級（電源）利用DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器提供+18V和5V電壓，這是開關(guān)操作所需的電源。第二級（主板）包含驅(qū)動器和通斷電阻，用于驅(qū)動電荷注入柵源極電容器，以免在開關(guān)過程中達到器件的擊穿電壓。下圖是這些板的 3D 模型。
最后一級是由 Nucleo STM32 微控制器板實現(xiàn)的控制模塊。該模塊采用單極 PWM 控制方法，用相同信號驅(qū)動兩個對角線上的開關(guān)?；パa信號及所需的死區(qū)時間用于驅(qū)動第二對角線上的功率開關(guān)。根據(jù)負荷工況和實際工作條件，設(shè)置 PWM 信號的占空比，以獲得峰值電流達到設(shè)計要求的正弦電流波形。圖 4所示是 PWM 互補信號和負載電流(460 A Imax) 的相關(guān)波形。
圖4. PWM驅(qū)動信號和負載電流
圖5 ：柵極驅(qū)動板 – 電源和主板
柵極驅(qū)動板安裝在功率模塊上面，如上圖所示。兩塊板子是金字塔形狀和互補結(jié)構(gòu)，通過排針插接在一起，以最大限度地減少走線距離、驅(qū)動板上的寄生元件和信號傳播延遲。
在下圖中，可以看到所使用的測試工具以及直流母線和微控制器板。因為高頻電流會流經(jīng)匯流排，所以，在設(shè)計階段應(yīng)特別注意匯流排的正確尺寸。板上有兩個開孔，方便我們直接觀察被測芯片，并用紅外熱像儀測量結(jié)溫 (TJ) 。
圖6:電氣系統(tǒng)概述
被測溫SiC功率模塊的特性如下：25℃時通態(tài)電阻典型值RdsON=1.9mΩ（每個開關(guān)），標稱電流Iphase=340A，擊穿電壓Vb=1200V。圖 7 所示是全橋轉(zhuǎn)換器的一個橋臂：每個開關(guān)都是由八個并聯(lián)的裸片組成。在下圖中，我們可以看到被測溫器件的內(nèi)部電路布局，并確定組成上下橋臂開關(guān)的八個裸片的位置。
圖7:被測器件電路布局
C. 并聯(lián)芯片間的閾壓差對溫度不平衡的影響
測試電壓和電流分別是 400V 母線電壓和 200Hz 340 Arms 正弦相電流，使用8kHz和12kHz 兩種開關(guān)頻率測試在不同耗散功率時的熱失衡現(xiàn)象[3]。
溫度測量的目的是量化全橋 32 個芯片中溫度最高和最低的芯片之間的溫差，比較GAP 1 模塊和GAP 2 模塊在相同開關(guān)頻率條件下的散熱性能。
值得一提的是，為了使實驗裝置的測量準確度達到要求，對FLIR E-76熱像儀進行了預(yù)表征測量過程，涉及的主要參數(shù)包括安裝位置角度，以及與表面材料和外部光線條件相關(guān)的發(fā)射系數(shù)。在 50°C 至 175°C的穩(wěn)態(tài)溫度范圍內(nèi)，通過熱板給功率模塊加熱來進行校準。最后，對照熱板溫度設(shè)定值檢查NTC 讀數(shù)，確保二者一致。
只有完成實驗裝置校準后，才開始拍攝熱圖像。圖 8 和圖 9 所示是GAP 1 模塊在開關(guān)頻率 12kHz時的紅外熱圖像，同時給出了開關(guān)內(nèi)每個芯片的結(jié)溫測量值。
圖8：橋臂U在8kHz時的紅外熱圖像
下圖是橋臂W在開關(guān)頻率12 kHz時的紅外熱圖像。
圖9: 橋臂W在12kHz時的紅外熱圖像
在GAP2 模塊上做同樣的測溫實驗。圖中上面的八顆裸片屬于上橋臂開關(guān)，而下面的八顆裸片屬于下橋臂開關(guān)。在 8kHz 和 12kHz開關(guān)頻率條件下，分別對GAP 1 模塊和GAP 2模塊進行了溫度分析。下表匯總了測量分析結(jié)果，報告了每個步驟測得的最大溫度和最小溫度。
表二：測試結(jié)果
在GAP 1 模塊中，溫度最高和最低芯片的溫差，在 8kHz 時為 4.4 °C，在 12kHz 時為 4.6 °C。在根據(jù)選型標準選擇 Vth 的GAP 2模塊中，8kHz 時的熱增量為 6.3 °C，12kHz 時為8.7 °C。
D. 結(jié)論
測試表明，減小并聯(lián)碳化硅芯片的閾壓差可以極大地降低芯片之間的溫差。此外，隨著開關(guān)頻率提高，通過減小裸片閾壓差的方式降低溫差的方法變得更加有效，特別是，在測試中，溫差在 8kHz 時降低了 25%，在開關(guān)頻率為12kHz 時降低了近 50%。引起開關(guān)耗散功率的因素包括 Eon、Eoff 和二極管反向恢復損耗，當然還有開關(guān)頻率。
從實驗結(jié)果來看，對于給定的選型標準，提高開關(guān)頻率降低溫差的方法無論如何不如降低閾壓分布范圍更有效。由于測量過程中存在許多技術(shù)問題，其中包括總線過熱和電源電壓紋波，因此，無法在上一代電動汽車的典型標稱電池電壓下執(zhí)行測試。預(yù)計這將會擴大溫差，因此，從選型標準或器件閾壓范圍開始，能夠預(yù)測結(jié)溫熱不平衡的數(shù)學模型將非常有幫助 。
參考文獻
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