【導讀】本文提出一個用尺寸緊湊、高成本效益的DC/ACnibianqifenxitanhuaguigonglvmokuaineibinglianluopianzhijiandereshihengwentidejiejuefangan
，gaifenxifangfashicaiyonghongwairexiangyizhijieceliangmeikeluopianzailianxugongzuoshidewendu，fenxilianggedianqunibianmokuaiyanzheng

，gaicewenxitongdeyanzhengfangfashi
，genjuzhayuandianyayuzhixuanzemeigemokuaineideluopian。womenjiangcongshiyanshujuzhongtiquyigeshuxuemoxing
，genjuVth 選xuan擇ze標biao準zhun，預yu測ce當dang逆ni變bian器qi工gong作zuo在zai電dian動dong汽qi車che常chang用yong的de電dian壓ya和he功gong率lv範fan圍wei內nei時shi的de熱re不bu平ping衡heng現xian象xiang。此ci外wai

，我wo們men還hai能neng夠gou延yan長chang測ce試shi時shi間jian，以yi便bian分fen析xi在zai電dian動dong汽qi車che生sheng命ming周zhou期qi典dian型xing電dian流liu負fu荷he下xia的de芯xin片pian行xing為wei。測ce試shi結jie果guo表biao明ming，根gen據ju閾yu壓ya為wei模mo塊kuai選xuan擇ze適shi合he的de裸luo片pian可ke以yi優you化hua散san熱re性xing能neng，減jian少shao熱re失shi衡heng現xian象xiang。

摘要

本文提出一個用尺寸緊湊、高成本效益的DC/ACnibianqifenxitanhuaguigonglvmokuaineibinglianluopianzhijiandereshihengwentidejiejuefangan，gaifenxifangfashicaiyonghongwairexiangyizhijieceliangmeikeluopianzailianxugongzuoshidewendu，fenxilianggedianqunibianmokuaiyanzheng，gaicewenxitongdeyanzhengfangfashi，genjuzhayuandianyayuzhixuanzemeigemokuaineideluopian。womenjiangcongshiyanshujuzhongtiquyigeshuxuemoxing
，genjuVth 選xuan擇ze標biao準zhun，預yu測ce當dang逆ni變bian器qi工gong作zuo在zai電dian動dong汽qi車che常chang用yong的de電dian壓ya和he功gong率lv範fan圍wei內nei時shi的de熱re不bu平ping衡heng現xian象xiang。此ci外wai，我wo們men還hai能neng夠gou延yan長chang測ce試shi時shi間jian，以yi便bian分fen析xi在zai電dian動dong汽qi車che生sheng命ming周zhou期qi典dian型xing電dian流liu負fu荷he下xia的de芯xin片pian行xing為wei。測ce試shi結jie果guo表biao明ming，根gen據ju閾yu壓ya為wei模mo塊kuai選xuan擇ze適shi合he的de裸luo片pian可ke以yi優you化hua散san熱re性xing能neng
，減jian少shao熱re失shi衡heng現xian象xiang。

I.前言

dianqunibianqishiyejiegongrendehundongchehediandongchedehexinbujian，congzuichudejishiqianwa，daoxianzaideshubaiqianwa
，tamenduiedinggonglvdeyaoqiuyuelaiyuegao。zhonggaogonglvnibianqiyaoqiugonglvmokuaidebiaochengdianliugaodashubaizhishuqiananpei。zhinengtongguobinglianduogeluopian
，youshibinglianduogezimokuai(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
、尺寸和成本是製約功率模塊設計的主要因素。最初使用IGBT設(she)計(ji)的(de)三(san)相(xiang)半(ban)橋(qiao)逆(ni)變(bian)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)已(yi)經(jing)非(fei)常(chang)普(pu)及(ji)，目(mu)前(qian)采(cai)用(yong)性(xing)能(neng)更(geng)高(gao)的(de)碳(tan)化(hua)矽(gui)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)設(she)計(ji)逆(ni)變(bian)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)新(xin)趨(qu)勢(shi)。功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)設(she)計(ji)通(tong)常(chang)是(shi)熱(re)性(xing)能(neng)和(he)電(dian)性(xing)能(neng)之(zhi)間(jian)的(de)權(quan)衡(heng)與(yu)折(zhe)衷(zhong)。設(she)計(ji)良(liang)好(hao)的(de)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)，能(neng)夠(gou)在(zai)上(shang)下(xia)橋(qiao)臂(bi)開(kai)關(guan)管(guan)之(zhi)間(jian)以(yi)及(ji)開(kai)關(guan)管(guan)內(nei)部(bu)裸(luo)片(pian)之(zhi)間(jian)均(jun)衡(heng)分(fen)配(pei)電(dian)流(liu)，前(qian)提(ti)是(shi)它(ta)們(men)的(de)靜(jing)態(tai)參(can)數(shu)差(cha)異(yi)不(bu)大(da)。此(ci)外(wai)，良(liang)好(hao)的(de)電(dian)路(lu)布(bu)局(ju)意(yi)味(wei)著(zhe)
，隻(zhi)有(you)裸(luo)片(pian)之(zhi)間(jian)互(hu)熱(re)效(xiao)應(ying)合(he)理(li)
，熱(re)應(ying)力(li)才(cai)能(neng)分(fen)布(bu)均(jun)衡(heng)[1]。

本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)一(yi)個(ge)電(dian)驅(qu)逆(ni)變(bian)器(qi)模(mo)塊(kuai)連(lian)續(xu)工(gong)作(zuo)測(ce)溫(wen)係(xi)統(tong)的(de)開(kai)發(fa)步(bu)驟(zhou)和(he)過(guo)程(cheng)，並(bing)分(fen)析(xi)了(le)影(ying)響(xiang)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)的(de)並(bing)聯(lian)碳(tan)化(hua)矽(gui)裸(luo)片(pian)之(zhi)間(jian)的(de)熱(re)失(shi)衡(heng)現(xian)象(xiang)。電(dian)路(lu)布(bu)局(ju)引(yin)起(qi)的(de)寄(ji)生(sheng)元(yuan)件(jian)和(he)靜(jing)態(tai)參(can)數(shu)（例如

，通態電阻和閾值電壓）是引起並聯器件熱失衡的主要因素。論文[2]zhongxiangxilunshuledianlubujudebuduichengxing，tahuiyingxiangzhajidaoyuanjihuanlu
，yinqichuanliandiangan，bingdaozhiqudonghuanlubupipei
，congeryanzhongyingxiangbinglianqijiandedongtaixingneng。

論文[3]中(zhong)描(miao)述(shu)了(le)如(ru)何(he)通(tong)過(guo)紅(hong)外(wai)熱(re)像(xiang)儀(yi)圖(tu)像(xiang)分(fen)析(xi)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)在(zai)穩(wen)態(tai)下(xia)的(de)熱(re)失(shi)衡(heng)問(wen)題(ti)。雖(sui)然(ran)通(tong)態(tai)電(dian)阻(zu)分(fen)布(bu)範(fan)圍(wei)是(shi)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)靜(jing)態(tai)參(can)數(shu)，但(dan)是(shi)電(dian)阻(zu)與(yu)溫(wen)度(du)的(de)關(guan)係(xi)將(jiang)會(hui)補(bu)償(chang)通(tong)態(tai)電(dian)阻(zu)的(de)分(fen)布(bu)範(fan)圍(wei)。事(shi)實(shi)上(shang)，芯(xin)片(pian)升(sheng)溫(wen)將(jiang)會(hui)減(jian)輕(qing)漏(lou)源(yuan)通(tong)態(tai)電(dian)阻(zu)自(zi)然(ran)分(fen)布(bu)範(fan)圍(wei)引(yin)起(qi)的(de)熱(re)失(shi)衡(heng)現(xian)象(xiang)。

本文將重點討論另一個關鍵參數：閾值電壓(Vth)，它對開關的導通和關斷性能影響很大，從而影響功率開關的能量損耗。兩個並聯芯片之間的閾壓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 對開關能耗的影響，證明當Vth 升高 500mV時
，導通狀態耗散功率升幅可能高達 40%。

genjuzhegelunju，womenrenweiyoubiyaojianliyigenenggouzaizhengchanggongzuotiaojianxiazhijieceliangkaiguanwendudecewenxitong，yipingguhebiaozhenggonglvmokuaineibutongluopiandesanrexingneng。bujinzaishengchanxianshangshefazuidaxiandusuozhaigongyidecanshufenbufanwei，baokuoyuyaVth的(de)分(fen)布(bu)範(fan)圍(wei)，還(hai)需(xu)要(yao)根(gen)據(ju)模(mo)塊(kuai)內(nei)距(ju)離(li)最(zui)近(jin)的(de)兩(liang)個(ge)芯(xin)片(pian)之(zhi)間(jian)的(de)微(wei)小(xiao)差(cha)異(yi)
，在(zai)模(mo)塊(kuai)組(zu)裝(zhuang)層(ceng)麵(mian)采(cai)取(qu)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)改(gai)善(shan)行(xing)動(dong)。我(wo)們(men)利(li)用(yong)這(zhe)一(yi)概(gai)念(nian)組(zu)裝(zhuang)了(le)兩(liang)個(ge)不(bu)同(tong)的(de)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)：第一個模塊叫做 GAP1，內部裸片閾壓Vth的最大分布範圍是250mV（圍繞平均值+/- 125mV），第二個模塊叫做GAP2
，Vth的最大變化範圍是 500mV（圍繞平均值+/-250mV）。采用兩個不同的開關頻率進行測試：電驅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頻率成正比。

A.實驗裝置

我wo們men的de主zhu要yao目mu標biao是shi設she計ji開kai發fa一yi個ge溫wen度du測ce量liang係xi統tong，使shi我wo們men能neng夠gou在zai更geng接jie近jin電dian驅qu逆ni變bian器qi的de實shi際ji應ying用yong環huan境jing中zhong測ce量liang功gong率lv芯xin片pian的de溫wen度du。因yin此ci
，必bi須xu從cong適shi合he的de機ji械xie部bu件jian以yi及ji液ye壓ya
、電氣和電子組件開始，使所有組件都指向上述目標。下圖是已實現的最終溫度測試係統的框圖。

圖1：完整的測溫係統 – 框圖

測溫係統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循環流動，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，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hun合he物wu，這zhe是shi變bian頻pin冷leng卻que器qi回hui路lu中zhong常chang見jian的de冷leng卻que液ye配pei製zhi方fang法fa。為wei了le測ce量liang冷leng卻que液ye的de流liu量liang，在zai被bei測ce溫wen裝zhuang置zhi前qian麵mian連lian接jie一yi個ge流liu量liang計ji，在zai我wo們men的de實shi驗yan中zhong
，冷leng卻que液ye流liu量liang設she為wei每mei分fen鍾zhong 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。鋁製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動板提供。圖 2 是測溫實驗設置。

圖2：實驗裝置

下麵是設備清單

表1：測試設備

B. 被測溫設備和柵極驅動板設計

我們在一個連續高頻工作的碳化矽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

如何通過多層結構實現驅動模塊是在開發測溫係統時需要重點考慮的一個因素。第一級（電源）利用DC-DC升壓轉換器提供+18V和5V電壓
，這是開關操作所需的電源。第二級（主板）包含驅動器和通斷電阻，用於驅動電荷注入柵源極電容器，以免在開關過程中達到器件的擊穿電壓。下圖是這些板的 3D 模型。

最後一級是由 Nucleo STM32 微控製器板實現的控製模塊。該模塊采用單極 PWM 控kong製zhi方fang法fa，用yong相xiang同tong信xin號hao驅qu動dong兩liang個ge對dui角jiao線xian上shang的de開kai關guan。互hu補bu信xin號hao及ji所suo需xu的de死si區qu時shi間jian用yong於yu驅qu動dong第di二er對dui角jiao線xian上shang的de功gong率lv開kai關guan。根gen據ju負fu荷he工gong況kuang和he實shi際ji工gong作zuo條tiao件jian，設she置zhi PWM 信號的占空比，以獲得峰值電流達到設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) 的相關波形。

圖4. PWM驅動信號和負載電流

圖5 ：柵極驅動板 – 電源和主板

柵極驅動板安裝在功率模塊上麵，如上圖所示。兩塊板子是金字塔形狀和互補結構，通過排針插接在一起，以最大限度地減少走線距離、驅動板上的寄生元件和信號傳播延遲。

zaixiatuzhong
，keyikandaosuoshiyongdeceshigongjuyijizhiliumuxianheweikongzhiqiban。yinweigaopindianliuhuiliujinghuiliupai，suoyi，zaishejijieduanyingtebiezhuyihuiliupaidezhengquechicun。banshangyoulianggekaikong

，fangbianwomenzhijieguanchabeicexinpian，bingyonghongwairexiangyiceliangjiewen (TJ) 。

圖6:電氣係統概述

被測溫SiC功率模塊的特性如下：25℃時通態電阻典型值RdsON=1.9mΩ（每個開關），標稱電流Iphase=340A
，擊穿電壓Vb=1200V。圖 7 所示是全橋轉換器的一個橋臂：meigekaiguandoushiyoubagebingliandeluopianzucheng。zaixiatuzhong，womenkeyikandaobeicewenqijiandeneibudianlubuju，bingquedingzuchengshangxiaqiaobikaiguandebageluopiandeweizhi。

圖7:被測器件電路布局

C. 並聯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 兩種開關頻率測試在不同耗散功率時的熱失衡現象[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熱像儀進行了預表征測量過程，涉及的主要參數包括安裝位置角度，以及與表麵材料和外部光線條件相關的發射係數。在 50°C 至 175°C的穩態溫度範圍內，通過熱板給功率模塊加熱來進行校準。最後
，對照熱板溫度設定值檢查NTC 讀數，確保二者一致。

隻有完成實驗裝置校準後，才開始拍攝熱圖像。圖 8 和圖 9 所示是GAP 1 模塊在開關頻率 12kHz時的紅外熱圖像，同時給出了開關內每個芯片的結溫測量值。

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。圖中上麵的八顆裸片屬於上橋臂開關，而下麵的八顆裸片屬於下橋臂開關。在 8kHz 和 12kHz開關頻率條件下，分別對GAP 1 模塊和GAP 2模塊進行了溫度分析。下表彙總了測量分析結果
，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. 結論

測(ce)試(shi)表(biao)明(ming)
，減(jian)小(xiao)並(bing)聯(lian)碳(tan)化(hua)矽(gui)芯(xin)片(pian)的(de)閾(yu)壓(ya)差(cha)可(ke)以(yi)極(ji)大(da)地(di)降(jiang)低(di)芯(xin)片(pian)之(zhi)間(jian)的(de)溫(wen)差(cha)。此(ci)外(wai)，隨(sui)著(zhe)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)提(ti)高(gao)，通(tong)過(guo)減(jian)小(xiao)裸(luo)片(pian)閾(yu)壓(ya)差(cha)的(de)方(fang)式(shi)降(jiang)低(di)溫(wen)差(cha)的(de)方(fang)法(fa)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)有(you)效(xiao)，特(te)別(bie)是(shi)
，在(zai)測(ce)試(shi)中(zhong)，溫(wen)差(cha)在(zai) 8kHz 時降低了 25%，在開關頻率為12kHz 時降低了近 50%。引起開關耗散功率的因素包括 Eon
、Eoff 和二極管反向恢複損耗，當然還有開關頻率。

從cong實shi驗yan結jie果guo來lai看kan

，對dui於yu給gei定ding的de選xuan型xing標biao準zhun，提ti高gao開kai關guan頻pin率lv降jiang低di溫wen差cha的de方fang法fa無wu論lun如ru何he不bu如ru降jiang低di閾yu壓ya分fen布bu範fan圍wei更geng有you效xiao。由you於yu測ce量liang過guo程cheng中zhong存cun在zai許xu多duo技ji術shu問wen題ti，其qi中zhong包bao括kuo總zong線xian過guo熱re和he電dian源yuan電dian壓ya紋wen波bo
，因yin此ci，無wu法fa在zai上shang一yi代dai電dian動dong汽qi車che的de典dian型xing標biao稱cheng電dian池chi電dian壓ya下xia執zhi行xing測ce試shi。預yu計ji這zhe將jiang會hui擴kuo大da溫wen差cha，因yin此ci，從cong選xuan型xing標biao準zhun或huo器qi件jian閾yu壓ya範fan圍wei開kai始shi
，能neng夠gou預yu測ce結jie溫wen熱re不bu平ping衡heng的de數shu學xue模mo型xing將jiang非fei常chang有you幫bang助zhu 。

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