基于碳化硅(SIC)半导体器件的功率模块广泛应用于大功率场景中。为优化电气与热性能而进行的定制化封装，通常会抬高商用功率模块的价格，并限制器件控制的灵活性。

本文总结了一种新颖的概念方案，该方案基于对分立SiC功率器件的重新封装，构建出高性能智能功率模块(IPM)，在成本、定制化和灵活性方面具备优势。

SiC功率模块的优化

以SiC为代表的宽禁带(WBG)半导体具有更低的导通损耗和开关损耗，从而可提升功率转换效率。在更高开关频率下工作能够提高系统的功率密度。然而，高开关频率会产生电磁干扰(EMI)，这成为影响变换器性能、可靠性和寿命的关键因素。

EMI滤波、最小化换流回路寄生电感、自适应栅极驱动，以及将栅极驱动器、传感器、滤波器和去耦电容器与有源器件更紧密地集成，都是为了获得更干净的开关波形。这类智能功率模块(IPM)旨在实现即插即用的方式，但价格较高。

热管理与可靠性是功率模块优化的另外两个关键因素。近年来，业界重点关注改进的芯片贴装方法(如银烧结)，以及使用导热性更好的陶瓷基板，例如氮化铝(AlN)、氮化硅(Si₃N₄)和氧化铍(BeO)。

分立功率器件的封装自动化程度高得多，从而有助于降低成本。当功率模块内部使用并联芯片时，均流和热耦合余量会要求模块中使用的芯片必须大幅降额使用。此外，在SiC模块上沿用相同IGBT封装技术的供应商通常不会针对总回路电感进行优化，这限制了高频开关的应用。

在美国德克萨斯大学奥斯汀分校陈子博和Alex Huang教授的一项新颖研究中[1]，他们利用分立功率器件开发出了一款SiC IPM。图1展示了传统功率模块和新结构的基本截面。两种方案中都使用了直接覆铜(DBC)基板。下面我们将详细讨论这种新方法。

图1

一款1200V、240A六相SiC IPM

图2更详细地展示了基于分立器件的IPM结构。该IPM集成了栅极驱动板、一个去耦电容器、一个缓冲电容卡、用于安装有源SiC器件的DBC基板以及底板。

采用较小块的DBC可以防止热膨胀系数(CTE)失配，并为所用器件数量提供了灵活性。在该实现方案中，每相使用两个并联的SiC器件(位于同一块DBC上)，以满足电流驱动要求。

DBC的作用是提供一条与底板电气绝缘的热通路，其本身没有任何电气连接。元器件和DBC的贴装采用焊膏与回流焊接工艺。如图1(b)所示，新方法在热通路中增加了一层铜和一层焊料，这对整体热阻的影响可以忽略不计。

图2

决定器件关断时过冲电压的功率回路，在布局上通过磁通抵消进行了优化，以降低回路电感。布线的对称性确保了SiC器件之间的动态均流。Ansys三维仿真提取出的回路电感为6.2nH，这与类似额定性能的商用模块中的数值相近。紧邻布置的去耦电容器有助于降低EMI;该IPM中还额外设置了缓冲电路，可在降低EMI与功耗之间进行权衡。最大限度地减小过冲可以提高直流母线电压，从而提升电压利用率。

在商用功率模块中，外部栅极驱动芯片驱动多个芯片，每个芯片的栅极驱动回路可能不同，这会影响开关速度。在每个芯片回路中会加入栅极电阻，以降低开关速度并补偿这种不匹配。

而在所提出的IPM中，栅极驱动芯片可以直接访问每一个SiC芯片，形成具有对称回路电感的专用驱动网络，从而实现均衡的瞬态均流。每块DBC上的温度传感器监测两个并联SiC芯片中一个的温度，从而支持主动热管理。这在传统功率模块中是不可能实现的，后者通常只有一个温度检测点。该IPM还实现了基于硬件的可编程过流保护，该功能嵌入在栅极驱动电路中。

结果

通过低压侧双脉冲测试(DPT)，在850V、480A条件下对这款1200V、240A、4.3mΩ的六相IPM进行了测试。如图3所示的455A开通和480A关断的开关波形，展示了良好的瞬态特性：过冲被快速阻尼，并联器件之间也显示出均衡的均流能力。

图3

利用所提出的IPM，验证了一个两级DC-DC/DC-AC变换器，其中升压DC-DC级采用交错并联三相桥臂，逆变级采用标准两电平三相逆变器。该75kW变换器的输入直流电压为500V，直流母线电压为830V，在30kHz开关频率下逆变为480Vac交流电。满载时效率达到98.1%，器件温度仅为81.2°C。

采用低成本的分立式TO-247封装1200V SiC器件，与额定功率相近的商用功率模块和栅极驱动器相比，成本降低了近2倍。该IPM更简单的制造工艺，以及可访问每个单独器件以优化和监测性能从而提高半导体利用率，都是额外的优势。

在本系列文章的第二部分，我们将进一步探讨该研究的作者通过使用绝缘金属基板(IMS)替代DBC所验证的进一步成本优化方案。