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,。

　　關(guān)鍵詞 — 電驅(qū)逆變器，碳化硅,，電動汽車,，大功率

　　I.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(dá)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(dá)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(dá) 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(jìn)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(jìn)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,。

　　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(jìn)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(jìn)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(jìn)水閥的冷卻液溫度何時達(dá)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(jìn)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▓D 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(dá)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(dá)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,。

　　圖4. PWM驅(qū)動信號和負(fù)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(biāo)稱電流Iphase=340A，擊穿電壓V_b=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(zhǔn)確度達(dá)到要求，對FLIR E-76熱像儀進(jìn)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(jìn)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,。

　　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(jìn)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,。

　　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(xiàn)

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