在之前的一文中，我们探讨了高压 4-6.5 kV IGBT 和碳化硅(SIC)功率模块结温特性精确建模的核心基础。

这篇文章，将研究视角从半导体芯片拓展至系统级整体热路径 —— 其中基板界面、母线排和冷却架构在功率系统的温升控制与长期可靠性保障中发挥着关键作用。

下文将重点分析叠层母线排的热阻特性，并结合计算流体动力学(CFD)辅助技术与解析方法，对比平板式冷却系统与液冷系统的性能差异，为面向寿命导向的可靠性验证提供冷却系统选型与尺寸设计方案。

高压母线排的热建模

在 4-6.5 kV 变流器系统中，叠层母线排属于主动发热部件。在快速开关工况与高电流密度条件下，其可能成为意料之外的热源，直接影响半导体器件的结温裕量、绝缘寿命及长期可靠性。

高压叠层母线排通过多种耦合电物理现象产生热量，而非仅由欧姆电阻导致。这些热量来源包括：邻近效应与集肤效应引发的交流损耗、直流传导损耗，以及电介质发热。当开关频率处于 2-20 kHz 区间时，交流损耗的影响不可忽视。

在此工况下，电流会因邻近效应、围栏效应(penning effect)和集肤效应发生分布偏移：邻近效应使电流向相邻导体附近的高密度区域集中，集肤效应则导致电流向母线排表面聚集。在基于碳化硅(SiC)的高速开关变流器所用的铜层绝缘叠层结构中，这些现象可能使有效交流电阻增至原来的三倍。

解析法热阻估算

在进行多物理场或三维 CAD 仿真前，可基于稳态产热特性与外表面简化对流模型，通过解析法估算叠层母线排的热阻。

该估算过程依赖于对流换热规律，核心参数包括冷却介质(或空气)的对流换热系数(h)与铜排的总散热表面积(A)。温度变化量可通过电流产生的电阻损耗除以表面积与换热系数的乘积(k)计算得出，公式如下：

[注：原文公式保留逻辑，实际应用中需结合具体场景代入参数]

在上述公式中，铜母线排被视为仅通过对流散热的均匀热源。但该模型存在一个关键假设：热量均匀分布且散热速率一致，这与实际叠层母线排的发热特性存在偏差。因此可通过将总热阻拆解为对流热阻与传导热阻两部分优化模型，其中铜排厚度(tCu)及其导热系数等几何参数的影响需重点考量，修正公式如下：

[注：Rdc 为产生热量的直流电阻]

冷却架构优化

随着功率模块开关速度的提升与热裕量的缩减，冷却架构已成为电气设计中的核心要素。设计过程中需重点考量其对结 - 环境热阻(θJA)与瞬态热阻抗的影响。

基板液冷 vs. 模块直冷

基板液冷与模块直冷是高压功率模块的两种主流冷却方式，二者在结构设计、热传导路径、瞬态响应特性及机械可靠性方面存在显著差异：

基板液冷：功率模块通过相变材料或导热硅脂安装于平板冷板表面，热量依次通过焊层、直接覆铜(DBC)基板、热界面材料(TIM)传递至基板，最终由冷板内的冷却介质吸收表面热量。

模块直冷：省去基板结构，直接将 DBC 基板暴露于冷却介质中，使冷却液在半导体发热区域附近直接吸热。准确理解两种方案的差异，是确保冷却方式选型合理、热阻抗估算精准、避免功率模块因过热失效的关键。

基于热阻抗的冷却系统尺寸设计

当故障开关电流引发脉冲功率损耗时，系统会产生瞬时热量。结合脉冲宽度调制(PWM)导致的热循环效应，需通过热阻抗 Zθ(t) 评估瞬态热响应特性，并结合随时间变化的开关损耗与导通损耗，实现结温升高的精准预测。

在功率模块的冷却系统尺寸设计中，需将热阻抗分解为串联热阻链：通过叠加结 - 壳热阻(θJC)、壳 - 散热器热阻(θCS)与散热器 - 环境热阻(θSA)，即可完成结温计算(公式如下)。基于该公式可反推所需散热器的热阻抗参数，进而确定适配功率模块的冷却系统类型。

示例计算：某功率模块的最高允许结温为 125°C，最大环境温度为 50°C，总功率损耗 300 W;采用优质热界面材料时 θCS 为 0.05 °C/W，根据器件手册查得 θJC 为 0.12 °C/W。通过公式可计算得出所需散热器热阻抗：

[计算过程：ΔT = 125°C - 50°C = 75°C;总热阻需求 R_total = 75°C / 300 W = 0.25 °C/W;散热器热阻 θSA = 0.25 - 0.12 - 0.05 = 0.08 °C/W]

由于所需热阻抗极低，该设计需采用强制液冷系统方可满足散热要求。

可靠性验证与设计裕量预留

在明确冷却架构优化方案后，需进一步评估实际工况下的应力水平、预留合理设计裕量，并在物理样机制造前完成失效预测。

任务剖面验证

通过任务剖面验证可评估功率模块在实际应用场景中的运行特性：提取环境温度、开关频率、负载条件等典型任务剖面参数，通过电热仿真预测热点温度分布，为可靠性设计提供数据支撑。

寿命模型与设计裕量

针对热循环应力，可采用 Coffin-Manson 焊点寿命模型、IEC 60749 标准等进行寿命评估。设计阶段需预留 10%-15% 的电流降额空间，并将最高结温降低 20 °C，以提升冷却系统的冗余能力。

可靠性测试标准应用

功率循环测试：参考 JESD22-A105 标准，通过向功率模块施加重复脉冲功率，模拟每个循环的加热 - 冷却过程，验证键合线与焊点的完整性。

功率耐久性验证：结合 IEC 60747-9 标准，涵盖局部放电影响、绝缘击穿、电过应力等测试项目。

设计迭代优化：通过上述验证测试结果，迭代优化冷却系统的几何结构设计。

表1

从热平衡到热失控不稳定性分析

在电热协同设计框架中，我们已阐述了保障功率模块热性能稳定性的基础理论。然而，即使是冷却系统优化到位、可靠性极限经过验证的先进设计，在遭遇界面老化或串联模块的时序热耦合效应时，仍可能突破预期热平衡状态。