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電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析

發(fā)布時間:2024-06-12 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)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(xué)模型,根據(jù)Vth選擇標(biāo)準(zhǔn),預(yù)測當(dāng)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(fù)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。


作者

? Michele Aparo, Power Transistors sub Group, Application lab, STMicroelectronics, Catania, Italy michele.aparo01@st.com

? Vittorio Giuffrida, Power Transistors sub Group , Application lab, STMicroelectronics,  Catania, Italy, vittorio-mos.giuffrida@st.com
? Santi Agatino Rizzo, Department of Electrical, Electronics and Computer Engineering, University of Catania, Catania, Italy santi.rizzo@unict.it 
? Massimiliano Chiantello, Power Transistors sub Group, Application lab, STMicroelectronics, Catania, Italy, massimiliano.chiantello@st.com


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(xué)模型,根據(jù)Vth選擇標(biāo)準(zhǔn),預(yù)測當(dāng)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(fù)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。

前言


電驅(qū)逆變器是業(yè)界公認(rèn)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(biāo)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(xì)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(dǎo)致驅(qū)動環(huán)路不匹配,從而嚴(yán)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(dǎo)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(dǎo)致能耗失衡,最終影響整個功率模塊的性能。論文[4]詳細(xì)地描述了Vth對開關(guān)能耗的影響,證明當(dāng)Vth升高500mV時,導(dǎo)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(rèn)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(biāo)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(biāo)。下圖是已實現(xiàn)的最終溫度測試系統(tǒng)的框圖。


電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


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。


電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


下面是設(shè)備清單


電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


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(fù)載,獲得一個全橋拓?fù)洌▓D3)。


電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


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)。互補信號及所需的死區(qū)時間用于驅(qū)動第二對角線上的功率開關(guān)。根據(jù)負(fù)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(fù)載電流(460 A Imax)的相關(guān)波形。


電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


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)。


電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


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(biāo)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。


電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


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(zhǔn)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(zhǔn)。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(zhǔn)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。


電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


下圖是橋臂W在開關(guān)頻率12 kHz時的紅外熱圖像。



電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


在GAP 2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


電驅(qū)逆變器SiC功率模塊芯片級熱分析


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(biāo)準(zhǔn)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(fù)損耗,當(dāng)然還有開關(guān)頻率。


從實驗結(jié)果來看,對于給定的選型標(biāo)準(zhǔn),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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)或器件閾壓范圍開始,能夠預(yù)測結(jié)溫?zé)岵黄胶獾臄?shù)學(xué)模型將非常有幫助。


參考文獻

[1] A. Sitta, G. Mauromicale, V. Giuffrida, A. Manzitto, M. Papaserio, D. Cavallaro, G. Bazzano, M. Renna, S.A. Rizzo, M. Calabretta - Paralleling Silicon Carbide MOSFETs in Power Module for Traction Inverters: a Parametric Study
[2] Szymon B?czkowski, Asger Bj?rn J?rgensen, Helong Li, Christian Uhrenfeldt, Xiaoping Dai, Stig Munk-Nielsen - Switching current imbalance mitigation in power modules with parallel connected SIC MOSFETs I. S. Jacobs and C. P. Bean, “Fine particles, thin films and exchange anisotropy,” in Magnetism, vol. III, G. T. Rado and H. Suhl, Eds. New York: Academic, 1963, pp. 271–350.
[3] Diane-Perle Sadik, Juan Colmenares, Dimosthenis Peftitsis, Jang-Kwon Lim, Jacek, Rabkowski and Hans - Peter Nee “Experimental investigations of static and transient current sharing of parallel - connected Silicon Carbide MOSFETs”.
[4] Antonia Lanzafame, Vittorio Giuffrida “Improving Switching Performance in SiC Power Modules by Better Balancing Gate Threshold Voltage Differences”.
[5] Calabretta, Michele & Sitta, Alessandro & Oliveri, Salvatore & Sequenzia, Gaetano. (2021). Silicon Carbide Multi-Chip Power Module for Traction Inverter Applications: Thermal Characterization and Modeling, 1982. 
文章來源:意法半導(dǎo)體中國



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