用于电动和混合动力交通工具的功率模块

寄生电感上的压降导致并联芯片间存在不同的开关速度和振荡。为了确保平滑和同步开关，电感必须尽可能小，更重要的是对所有半导体芯片的影响必须相同。采用左右侧各配备一个IGBT且在中心配备一个续流二极管的设计可以保证这一点。IGBT和二极管之间的电流换流路径尽可能的短，并且对转换器半桥的顶部和底部开关来说具有相同的长度（参见图3）。

图3 顶部和底部开关的IGBT和续流二极管之间的电流换流路径

图4显示了600A和900V DC时SKiM®63模块的开关特性。顶部和底部IGBT的开关损耗、过电压和di/dt几乎相同。情况并非总是如此，事实上，在大多数情况下，存在明显的差异，这是由电流路径中不同寄生电感所导致的。

图4 两倍额定电流时底部IGBT的关断Ic(绿),VCE(蓝),VGE(棕)，在600A 900V DC,125°C时

同样，为确保组件的能力被充分利用，需要在并联芯片之间具有良好的电流分配。对所有芯片来说，+DC到CDC电流路径的阻抗和主电流对栅极电路的影响必须相同。

采用夹层母线系统能够满足第一个条件。从+DC到CDC的电流通讯磁场几乎没有变化。主端子的各个电感是耦合的，因此可以忽略不计。对所有并联芯片来说，阻抗是相同的。

第二个要求在选定的设计中还在考虑。即使在动态条件下，所有的IGBT具有相同的栅极发射极电压。在IGBT-二极管-IGBT模块中，由di/dt所导致的压降相互抵消，也就是说，所有的晶体管以同样的方式受到键合线上压降的影响。其结果是良好的电流分布，即使在发生短路时。

4 热阻Rth

传导壮态电压低、175℃的最高结温度允许非常高的额定电流。额定电流密度可大于2A/mm2。如果选择了正确的芯片尺寸，可实现额定电流、冷却需求和成本之间的最佳平衡。

Rth既是芯片尺寸的函数，也是芯片间距离的函数。过大的芯片在整个芯片区域内有很大的温度梯度，模块内的热扩散不佳。一些具有同样总面积但相互间的距离很小的芯片具有较低的Rth。如果芯片间的间隙小，芯片会互相加热；同样，芯片间距越大，热阻越小。在SKiM®系列在最大有效芯片面积和最优热性能两方面实现了最佳的折衷：芯片面积在60mm²至8080mm²之间，芯片之间的距离为3mm。

芯片两侧的压接触点阻止DCB发生弯曲。有助于使传导性能不佳的导热涂层的厚度减小至20μm-30μm；有基板模块通常有一个80μm-100μm厚的导热涂层。超薄的烧结银层，具有良好的热传导性，与传统焊层相比，进一步减小了Rth。

5 可靠性

常规采用具有铜基板功率模块的解决方案不适用于汽车应用中的极端热循环情况。不同的热膨胀系数使材料之间连接处产生应变。AlSiC基板（铝碳化硅合金）是一种可靠的替代品，但价格相对昂贵。无基板的压接模块是另一种选择。不同于经典的模块设计，这些模块中的低热阻和散热器上的均匀热扩散使得温度差异较低，即使是在活跃的负载循环情况下，也增加了模块的使用寿命。

为了提高负载循环能力，即使对于非常高的结温，SKiM®系列使用低温烧结技术来连接芯片和DCB。焊接连接会因为负载循环而产生老化，从而使热阻增大，并最终产生故障。在烧结连接通过采用具有优良导热性能的超薄银层来实现。银的熔点是900°C，明显高于芯片175°C的最高结温。在使用寿命性能测试中，没有发现结合点有疲劳现象（参见图5）。消除这种有可能导致故障的机制提高了整个系统的可靠性。

图5 焊接芯片和烧结芯片在热循环测试中的对比

由于采用了压接和弹簧触点技术进行连接，并且去除了带焊接芯片连接的基板，SKiM®模块是100%的无焊接功率模块。此外，这些模块已被优化以实现最佳的芯片利用率和大输出电流。结合最高达175℃的芯片结温，使得可以设计出具有无与伦比的功率密度和热循环能力的紧凑型逆变器。