引言
    受對(duì)高功率密度、可靠性和降低系統(tǒng)成本需求的驅(qū)動(dòng)，功率模塊技術(shù)必須找到新的方法來(lái)滿足市場(chǎng)需求。為了實(shí)現(xiàn)顯著的性能提升，必須檢討現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法。在電動(dòng)交通和可再生能源市場(chǎng)，連接和裝配技術(shù)起著關(guān)鍵的作用。對(duì)緊湊型系統(tǒng)、高可靠性、低成本的需求意味著需要新的技術(shù)方法，并且應(yīng)用于電力電子的經(jīng)典模塊 - 銅基板、焊接、模塊外殼和綁定線 - 將逐漸從市場(chǎng)上消失。當(dāng)今的6MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組約使用3000cm²的硅面積（IGBT和二極管）。為了實(shí)現(xiàn)電力電子的高效性，必須實(shí)現(xiàn)新的逆變器概念。這意味著更高的硅利用率、更少的組件數(shù)量，而非常重要的是更少的機(jī)械和電氣接口。如今，MW級(jí)的大功率逆變器都基于模塊和/或逆變器的并聯(lián)。這不但增加了成本更降低了整體可靠性。冗余是實(shí)現(xiàn)所要求的高效率系統(tǒng)的一個(gè)可選方法，唯一的缺點(diǎn)是初始投資較高。
功率模塊設(shè)計(jì)
    SKiN封裝技術(shù)是基于使用燒結(jié)層替代焊接[1]。在這種結(jié)構(gòu)中，綁定線被燒結(jié)在芯片表面的柔性板所取代。與采用綁定線的系統(tǒng)不同的是，該芯片的上部和底部具有相同的金屬化層（如銀層），這意味著芯片頂部和底部的高可靠燒結(jié)層與電流路徑廣泛連接。綁定線只能接觸約20%的潛在芯片接觸面積。圖1顯示了采用SKiN技術(shù)連接IGBT和二極管，其中兩側(cè)帶有銅層的柔性印刷電路板通過(guò)Ag擴(kuò)散燒結(jié)附著在芯片上。彈簧提供輔助電氣連接確保驅(qū)動(dòng)器接口焊接少且非常緊湊。
    功率半導(dǎo)體的最大允許功率耗散受最大允許結(jié)溫、冷卻介質(zhì)的溫度和芯片與冷卻介質(zhì)之間的熱阻限制。在帶有高性能水冷散熱器的電力電子系統(tǒng)熱模型中，導(dǎo)熱硅脂是一個(gè)關(guān)鍵的影響變量，占了整個(gè)系統(tǒng)熱阻的約30%。通過(guò)將DCB與散熱器燒結(jié)在一起，可消除該缺點(diǎn)。將底板材料帶入液體冷卻回路時(shí)要非常小心長(zhǎng)期腐蝕的影響。冷卻介質(zhì)和基板材料/涂層必須匹配。因此，鋁是首選，因?yàn)楫?dāng)液體中含有少量的氧時(shí)，鋁會(huì)自鈍化（天然氧化鋁）。但對(duì)于基板來(lái)說(shuō)，鋁又不是首選，因其熱膨脹系數(shù)高并且與焊接的兼容性差。不過(guò)，也有辦法來(lái)解決這些問(wèn)題：使用銀擴(kuò)散燒結(jié)將一塊純鋁的小面積針翅式散熱器燒結(jié)到DBC基板。帶基板的分層系統(tǒng)熱阻和SKiN技術(shù)的對(duì)比表明，IGBT結(jié)溫和冷卻液溫度之間的熱阻下降了30%。圖2顯示出主端子也燒結(jié)到DCB基板上，提供了至直流母線的大電流接觸。與電容器或直流母線的焊接可實(shí)現(xiàn)成本效益、緊湊且可靠的接口。在MW級(jí)范圍內(nèi)可利用高電流密度來(lái)產(chǎn)生高度緊湊且可靠的系統(tǒng)。
電感率
    對(duì)于適用于高、中開關(guān)頻率的模塊，必須將IGBT和二極管之間雜散電感設(shè)計(jì)的小。這樣具有高di/dt，可支持快速和低開關(guān)損耗。為了防止開關(guān)信號(hào)上的高噪聲電平，主電路與輔助電路之間必須低耦合。使用的柔軟銅層允許新的設(shè)計(jì)方法改進(jìn)和簡(jiǎn)化的半橋電路的布局。對(duì)稱布局使得換向通道短并且簡(jiǎn)化了并聯(lián)操作，從而簡(jiǎn)化了IGBT之間的電流共享�；�于帶有主要寄生電感的模塊仿真模型，可以計(jì)算出整體的換向電感。有端子和無(wú)端子兩種情況下的TOP IGBT和續(xù)流二極管的換向電感值已計(jì)算出。

	無(wú)端子	有端子
TOP IGBT1	L = 4,66nH	L = 15,0nH
TOP IGBT2	L = 5,08nH	L = 15,2nH
IGBT1 || IGBT2	L = 4,62nH	L = 14,8nH

表1：無(wú)端子和有端子時(shí)的雜散電感對(duì)比
     仿真結(jié)果表明，雜散電感主要來(lái)自主端子。兩個(gè)SKiN單元的并聯(lián)運(yùn)行會(huì)使換相電感增加到25.7nH。與經(jīng)典采用綁定線技術(shù)的模塊相比，雜散電感（典型值）減小了10%。對(duì)電流換向期間的電流流動(dòng)的分析表明，這種改進(jìn)對(duì)于消除綁定線環(huán)路沒有作用，但它還是有點(diǎn)被SKiN柔性電路層上電流路徑的更小封閉側(cè)面積所激發(fā)。與采用母線的模塊設(shè)計(jì)相比，兩個(gè)模塊近距離并聯(lián)可至少減少50%的雜散電感，這對(duì)于所期待的良好電流共享來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的指示。由主端子所帶來(lái)的主要電感可進(jìn)一步通過(guò)不同的布局來(lái)加以改善。這顯示出SKiN技術(shù)的適宜性將成為寬禁帶材料的下一個(gè)封裝平臺(tái)。
多MW模塊的裝配概念
    基于熱性能和已實(shí)現(xiàn)的功率密度，已經(jīng)完成一種新的設(shè)計(jì)方法，以一種不同的方式布局電力電子器件和散熱器。對(duì)于液冷應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最高可達(dá)功率密度是最大的好處。如今，大多數(shù)散熱器被布置在相同的層級(jí)上作為模塊和母線的主裝配方向。體積更小的SKiN單元允許其他的設(shè)計(jì)方法。SKiN模塊被布置在水冷散熱器的對(duì)面形成一個(gè)功率模塊構(gòu)建塊（圖3）。主水流使用的是第三維。     水流通過(guò)配水管道流入四針翅式散熱器。多個(gè)構(gòu)建塊被排列在一個(gè)配水通路上。相比SKiiP4設(shè)計(jì)，每平方厘米芯片面積的熱性能Rth（ja）從0.36K/W下降至0.26K/W。通過(guò)優(yōu)化的針翅設(shè)計(jì)，壓降被最小化。分層的水流確保整個(gè)散熱器表面接近完美的冷卻性能。第一結(jié)果表明，對(duì)于4個(gè)并聯(lián)的SKiN模塊，芯片半導(dǎo)體結(jié)與水之間的熱阻差異小于20%。實(shí)現(xiàn)了每個(gè)構(gòu)建塊的壓降小于100mbar。每個(gè)構(gòu)建塊包含4個(gè)SKiN基礎(chǔ)模塊，提供700kW的輸出功率。通過(guò)焊接在SKiN單元上相對(duì)側(cè)的母線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低電感的DC和AC連接。門極驅(qū)動(dòng)器安裝在SKiN模塊的頂部，帶來(lái)良好的開關(guān)控制。驅(qū)動(dòng)板和電源部分之間是通過(guò)彈簧連接的（參見圖4）。輔助觸點(diǎn)的彈簧接口支持快速和可靠的無(wú)焊接裝配。由于功率模塊設(shè)計(jì)中首次實(shí)現(xiàn)卓越的熱性能，在50°C的冷卻液條件下600A的額定電流也是有效的RMS電流。通過(guò)在一個(gè)托架和分配導(dǎo)軌上布置4個(gè)這種構(gòu)建塊，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)3MW的超緊湊的功率模塊。分配導(dǎo)軌提供驅(qū)動(dòng)器接口和冷卻液的連接。這一概念將當(dāng)今已知功率模塊的功率密度增加了一倍，并防止了單模塊并聯(lián)時(shí)的所有的困難。環(huán)境等級(jí)提升至污染等級(jí)為3級(jí)的3K4級(jí)，并支持安裝在惡劣的環(huán)境中。與SKiiP3（2000年推向市場(chǎng)）相比，對(duì)于相同輸出功率，占用面積減少了70%，可使逆變器尺寸減少35%。 動(dòng)態(tài)性能
     為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)性能，對(duì)模塊進(jìn)行了開關(guān)測(cè)試。4個(gè)構(gòu)建塊被安裝上的分布導(dǎo)軌上并配置為并聯(lián)半橋。圖6給出了一個(gè)1700V單元的開關(guān)特性。在1300V的直流母線電壓下，它有可能開關(guān)2.000A，直到達(dá)到阻斷電壓限制。總共使用了16個(gè)額定電流為150A Icnom的SKiN。相鄰模塊之間的近距離和低電感連接降低了電感，使得并聯(lián)單元之間具有優(yōu)越電流共享。每個(gè)功率塊也具有優(yōu)異的過(guò)載能力，而且不需要任何吸收電容。對(duì)于1個(gè)功率塊的，2400A的脈沖開關(guān)測(cè)試已經(jīng)完成。
結(jié)論
     SKiN技術(shù)是一個(gè)革命性的技術(shù)進(jìn)步。它通過(guò)無(wú)綁定線封裝技術(shù)平臺(tái)增強(qiáng)了可靠性，減小了熱阻并改進(jìn)了內(nèi)部寄生電感。不過(guò)，為了利用這一新技術(shù)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于這一新封裝平臺(tái)，模塊的外形和系統(tǒng)配置是不同的。
     由于去除了熱界面材料并集成了一個(gè)高性能的針鰭式散熱器，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，有可能增加一倍的功率耗散。僅去除導(dǎo)熱硅脂一項(xiàng)就可以減少25%的芯片結(jié)到水的總熱阻�；�于SKiN技術(shù)的單元是支持緊湊裝配的構(gòu)建塊。這是由主端子的無(wú)螺絲連接和采用彈簧接觸連接驅(qū)動(dòng)板來(lái)得以保證的。一種新的設(shè)計(jì)方法，采用3 MW水冷式模塊用于風(fēng)電變流器，顯示出與基于標(biāo)準(zhǔn)模塊的解決方案相比，可以實(shí)現(xiàn)2倍的電流密度。風(fēng)電逆變器應(yīng)用的監(jiān)管要求對(duì)諸如電壓和低頻穿越條件等電網(wǎng)支持有著苛刻的要求。功率模塊必須支持這些條件，具有在過(guò)載或高壓的條件下運(yùn)行的能力。有了這一模塊概念，在機(jī)艙空間有限的情況下，也可以很容易地實(shí)現(xiàn)3MW以上的風(fēng)電逆變器。與中壓系統(tǒng)相比，由于限制更少和成本更低，利用這些已知優(yōu)勢(shì)將會(huì)為低壓逆變器開辟6MW以上的市場(chǎng)。有了SKiN技術(shù)，包含新寬禁帶材料功率器件的封裝技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，并允許它們被用在中高功率領(lǐng)域。
5. 參考文獻(xiàn)
[1] P. Beckedahl et al.: Performance comparison of traditional packaging technologies to a novel bond wireless all sintered module; PCIM Europe 2011
[2] C. Göbl, P. Beckedahl: A new 3D power module packaging without bond wires, PCIM Europe 2008
[3] C. Göbl: Low Temperature Sinter Technology Die Attachment for Power Electronic Applications,CIPS 2010
[4] T. Stockmeier, P. Beckedahl, C. Göbl,T. Malzer: SKiN: Double side sintering technology for new packages, ISPSD 2011