三維混合封裝高功率密度SiC單相逆變器的熱及可靠性設計.pdf

1、單相逆變器的主要功能是把直流電轉(zhuǎn)化為交流電，廣泛應用于光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電、電動汽車和航空航天等領域。追求更小體積、更高集成度、更高功率密度和更高可靠性成為電力電子模塊的發(fā)展趨勢。
　　近年來隨著寬禁帶半導體SiC功率器件的出現(xiàn)，使得電力電子模塊的開關頻率和功率密度大大提高。然而SiC功率器件在實際應用中遇到兩個關鍵問題：一是因為超高的功率密度，給SiC功率器件的封裝結(jié)構帶來了嚴峻的散熱考驗；二是因為超高的開關頻率，要求封裝結(jié)構中的

2、回路寄生電感要非常小。SiC功率器件的應用問題歸根結(jié)底就是目前落后的封裝結(jié)構和工藝不能跟上功率器件的發(fā)展速度。所以迫切需要發(fā)展新的封裝結(jié)構和工藝，以解決如何將SiC功率器件生成的熱量快速有效地傳遞到外部環(huán)境，和如何減小回路中的寄生電感使得SiC功率器件在高頻下發(fā)揮出良好的性能，成為未來SiC功率器件能否可靠應用的關鍵。
　　本文的最終目的就是設計實現(xiàn)一個高功率密度SiC單相逆變器。針對SiC功率器件在應用中的問題，首先回顧了目前現(xiàn)

3、有的集成電力電子模塊IPEM的封裝互連方式，然后創(chuàng)新性的提出了DBC與PCB混合半橋三維封裝結(jié)構，這種結(jié)構不僅散熱方便而且由于特殊的電流回路設計使得回路的寄生電感非常低，非常符合高頻高功率密度的SiC功率器件的封裝應用。
　　針對SiC單相逆變器的設計要求，使用基于計算流體力學的專業(yè)電子設備熱仿真軟件Flotherm，同時考慮熱傳導、熱對流和熱輻射三種散熱方式，為DBC與PCB混合半橋三維封裝結(jié)構優(yōu)化設計了一個專門的散熱器，使得半

4、橋模塊的散熱效率達到最高。并使用熱阻矩陣的方法給這個半橋模塊建立了相應的熱阻解析模型。進一步通過瞬態(tài)熱仿真研究了半橋模塊的瞬態(tài)熱特性。
　　DBC與PCB混合半橋三維封裝結(jié)構由于存在較多的焊接和鍵合線互連界面，這些地方都是封裝結(jié)構中的薄弱部位。在高溫工作環(huán)境下，封裝結(jié)構的各個部位會存在明顯的熱應力。如果熱應力超過材料的屈服強度就會對封裝結(jié)構造成不可恢復的損傷；如果熱應力較小，則在長期的功率循環(huán)或溫度循環(huán)下會引起封裝結(jié)構的疲勞失效。

5、本文使用Ansys Workbench有限元仿真軟件，采用熱力耦合的方法，對DBC與PCB混合半橋三維封裝結(jié)構中的DBC陶瓷基板、鍵合線、焊料層等關鍵結(jié)構的可靠性做了詳盡的研究分析。還通過溫度循環(huán)加速試驗仿真，進一步研究了半橋模塊焊料層的內(nèi)部疲勞失效機理。
　　在完成DBC與PCB混合半橋三維封裝結(jié)構的熱和可靠性的分析設計之后，用Flotherm對高功率密度SiC單相逆變器整機進行了熱仿真設計，包括對風扇的選取、風道的優(yōu)化、元器件