如今，三相全桥功率模块广泛应用于电动汽车与工业驱动领域，并对功率密度提出了越来越高的要求．要实现更高的功率密度，须提高功率模块的开关频率、降低杂散电感和增强散热能力[1-5]．随着宽禁带功率器件的不断发展，碳化硅(SiC)具有更高的击穿电压、更高的工作温度、更低的开关损耗，显示出取代硅基功率器件的巨大潜力．然而由于封装限制，这些突出的优点目前还无法在同尺寸的功率模块中得到有效证明[6-10]．二维引线键合封装结构工艺已经相对成熟且简单，在商用SiC功率模块设计中得到广泛应用；但是这种二维的功率模块封装结构通常具有较大的寄生电感，这很大程度上限制了SiC器件的开关速度．这种寄生电感还会导致门极的不稳定振荡，阻碍了功率密度的进一步提高[11-15]．Chen等[16]提出了一种改进的线键结构，用于1200 V/60 A SiC功率模块，在二维模块中采用叠层引线框架，增强开尔文源极对称性来降低寄生电感．Huber等[17]提出了一种多直接键合铜(DBC)的600 V/200 A单相全桥SiC功率模块，采用两层DBC实现了低寄生电感，功率器件焊接在双层DBC的顶层．Luo等[18]基于叠层DBC开发了1200 V/120 A的半桥SiC功率模块．目前，针对对大功率下三相全桥的叠层DBC功率模块的研究相对较少，特别是在面对更大电流和更高功率的情况下，对于叠层DBC功率模块芯片热稳定问题的深入研究须进一步展开．基于此，本研究提出了一种多叠层DBC单元的封装结构，并研制了1 200 V/500 A三相全桥功率模块，利用pinfin散热器进行水冷散热．1 功率模块设计和仿真1.1　叠层DBC单元设计叠层DBC封装结构侧面图如图1所示，底部DBC和顶部DBC分别传导电流，SiC MOSFET芯片的漏极焊接在底层DBC上，门极与源极通过键合线与顶层DBC相连接．10.13245/j.hust.240878.F001图 1叠层DBC封装侧面图互感抵消效应如图2所示，叠层DBC的电流路径重叠且方向相反，采用了互感抵消效应，使电流在相邻层之间反向流动，显著降低寄生电感．相对于传统的二维封装结构，这种方法可以有效降低杂散参数，从而改善功率模块的整体性能．10.13245/j.hust.240878.F002图 2互感抵消效应(色标单位：T)叠层DBC单元及电流流通路径如图3所示，尺寸为59 mm×32 mm．通过在Ansys Q3D中提取寄生电感，该功率模块的总寄生电感仅为4.74 nH．而相同额定功率、尺寸为64 mm×44 mm的传统二维布局模块的寄生电感值为18.84 nH．10.13245/j.hust.240878.F003图 3叠层DBC单元及电流流通路径由于电流路径增加了1倍，因此在相同的封装面积下，叠层DBC单元允许更多的芯片并联，从而显著增加了SiC功率模块的功率密度．这种方法工艺相对简单，可降低生产成本、提高生产率．如图4所示，最终设计的1200 V/500 A高功率密度三相全桥SiC功率模块的尺寸与EconoDUAL封装的商用单相全桥模块一致．10.13245/j.hust.240878.F004图 41200 V/500 A高功率密度三相全桥SiC功率模块1.2　散热设计冷却系统在电力电子系统的总质量和总体积中占据相当大的比例．为了实现更高的功率密度，功率模块通常采用PinFin散热器来提升散热性能．本研究采用的PinFin散热器结构如图5所示，这种结构在相对较小的空间内提供了更大的散热表面积，使其与周围环境更有效地交换热量，从而提高了整体散热性能．10.13245/j.hust.240878.F005图 5PinFin散热器结构计算流体力学(CFD)模型根据工况设置每颗芯片功率为150 W，三相模块总热耗率为5 400 W．入口水流速为0.52 m/s，水温为25 ℃，出口压力为静压，设计的功率模块各部分材料参数见表1．仿真结果如图6所示，芯片最高结温148.42 ℃，芯片平均结温123.24 ℃．10.13245/j.hust.240878.T001表 1功率模块各部分材料参数名称DBC上层DBC中间层DBC下层DBC焊料芯片焊料芯片Pinfin键合线材料CuAl2O3CuSnSb5Pb92.5Sn5Ag2.5SiCuAl密度/(g∙cm-3)8.963.978.967.2511.022.332.698.96比热容/(J∙kg-1∙K-1)390765390235235712880390热导率/(W∙m-1∙K-1)400.033.0400.028.026.0148.0237.5400.0热膨胀系数/(10-6K-1)17.86.517.821.024.02.57.217.8弹性模量/GPa14140014191307214110.13245/j.hust.240878.F006图6CFD仿真结果(色标单位：℃)最高结温和平均结温的数据有助于评估功率模块散热设计的性能，验证提出叠层DBC单元封装结构的可行性．2 实验验证2.1　模块制作功率模块封装工艺制作流程如图7所示．先进行芯片出厂检测与功率模块封装设计，之后进行芯片溅射、真空焊接、超声波焊接和模块真空灌封，最后进行模块检测．芯片出厂检测和功率模块封装设计确保所使用的芯片质量可靠且符合设计要求．10.13245/j.hust.240878.F007图7功率模块封装工艺制作流程图8展示了设计的1 200 V/500 A高功率密度三相全桥SiC功率模块的实物．芯片溅射、真空焊接、超声波焊接等工艺步骤用于将芯片按照电路拓扑连接到封装结构中．模块真空灌封则有助于提高封装的密封性，确保内部芯片在恶劣环境中的可靠运行．10.13245/j.hust.240878.F008图81 200V/500A高功率密度三相全桥SiC功率模块实物2.2　电气性能测试开关器件的动态电气性能可以通过双脉冲电路获得，下管用作被测器件．栅极-源极电压Vgs与漏极-源极电压Vds使用高压隔离差分探头测量，漏极电流Id使用罗氏线圈电流探头测量．上管的栅极承受负电压，因此上管关闭，只有续流二极管在工作．功率模块双脉冲测试波形结果如图9所示，可以看出：制作的功率模块通过了800 V/500 A的双脉冲测试，证明所提出的功率模块在高电压和大电流条件下具有可靠的动态电气性能，符合设计和规格要求．10.13245/j.hust.240878.F009图9功率模块双脉冲测试波形结果传统的二维封装结构由于杂散电感更高，在电流为200 A处门极已经出现了明显振荡，如图10所示．10.13245/j.hust.240878.F010图 10传统的二维封装的模块测试波形图门极振荡可能导致不稳定的工作状态，与之相比，本研究使用的叠层DBC封装结构通过减小杂散电感，提高了功率模块的动态性能．2.3　散热性能测试为了更全面地评估功率模块的散热能力，采用功率模块单相全桥直通的方式，通过红外热成像仪对功率模块进行观察，以获取功率模块的最高结温．弱电电源为门极驱动供电，电流源提供大电流．最终测试功率模块直通电流值为300 A．图11为直流300 A下功率模块热分布，可知：在这种条件下，功率模块单相最高结温约为158 ℃．这一结果提供了对功率模块在大电流通流情况下的实际工作状态的直观了解，为优化散热设计和确保功率模块的可靠性提供了参考，证明了大功率下叠层DBC功率模块设计的可行性．10.13245/j.hust.240878.F011图11300A时功率模块热分布(色标单位：°C)3 结语针对电动汽车与工业驱动领域，设计并开发了一款1 200 V/500 A高功率密度三相全桥SiC功率模块．提出的采用多叠层DBC单元的设计方法，简化了制造流程、降低了成本，可以提高生产效率．基于仿真结果进行了实物的设计与制作，并进行了电气和散热性能测试，结果表明：相较于传统封装方法，提出的封装方法在尺寸上减小了34.9%，寄生电感减少了74.8%，使得门极具有更高的稳定性．在直流300 A电流通流的情况下，单相最高结温为158 ℃．提出的三相全桥SiC功率模块设计方法有助于推动电动汽车电机驱动系统功率密度的提高．