功率模組如何解決四個(gè)維度設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

電動(dòng)汽車、新能源、光伏、風(fēng)電等產(chǎn)品廣泛使用高功率開(kāi)關(guān)電路，簡(jiǎn)稱電源功率模組。電源功率模組通常不是單一器件的封裝，而是多片IGBT，或MOSFET，以及二極管的電路組合。

對(duì)這種多器件的模組，如果設(shè)計(jì)正確，高電壓、大電流、穩(wěn)定的溫度和低電磁輻射是可以實(shí)現(xiàn)的。這四個(gè)維度的指標(biāo)在模組本身密度較大的情況成為設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。單一的設(shè)計(jì)工程師不可能預(yù)測(cè)某個(gè)設(shè)計(jì)變化會(huì)帶來(lái)的四個(gè)方面的影響。例如，簡(jiǎn)單的器件布局變化就會(huì)影響所有的指標(biāo)，流向所有器件的電流不再是均勻分布的（直流響應(yīng)），模組中不同器件的開(kāi)關(guān)行為變化（AC響應(yīng)），這兩種電氣領(lǐng)域的變化必然引起熱和電磁兼容性的變化。

圖1.電源功率模組: 四個(gè)維度的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

模組中的所有器件應(yīng)該實(shí)現(xiàn)靜態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗的均衡，以及同樣的溫度，同時(shí)較低的EMC輻射來(lái)確保高可靠性和避免現(xiàn)場(chǎng)失效。可以想象，即使在快速斷路器（1毫秒反應(yīng)時(shí)間）工作情況下，一個(gè)失效（比如短路）也會(huì)釋放2000焦耳的能量。這么大能量足以把70公斤的成年男人拋到空中3米高度，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車的整體失效。

今天的電源功率模組設(shè)計(jì)流程依賴多次樣機(jī)測(cè)試。一般需要至少十次物理樣機(jī)才能得到滿足以上指標(biāo)的工作電源功率模組。這不僅僅是成本的問(wèn)題，時(shí)間上也花費(fèi)很多。同時(shí)，設(shè)計(jì)師需要考慮不同技術(shù)路徑。從器件工藝，比如硅、碳化硅、氮化鎵，到制造工藝，像鍵合線、無(wú)線模組，到其他新的互連技術(shù)。

本文通過(guò)一個(gè)電源功率模組的設(shè)計(jì)給出技術(shù)概況，以及典型的技術(shù)挑戰(zhàn)。提出一種設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法，來(lái)減少樣機(jī)次數(shù)，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，提高電源功率模組的質(zhì)量和可靠性，以提高差異化的競(jìng)爭(zhēng)能力。

高壓應(yīng)用的基礎(chǔ)是寬帶隙半導(dǎo)體。高壓器件在材料特性上，SiC-MOSFET 和GaN HEMT 與Si IGBT 相比，具有較高的擊穿電場(chǎng)，較高的熱傳導(dǎo)率，在理論上，SiC和GaN器件應(yīng)該更有吸引力?？墒菫槭裁碨i IGBT仍然在主導(dǎo)市場(chǎng)呢？

A. 硅

市場(chǎng)上廣泛采用純硅基器件。由于大量生產(chǎn)、眾所周知的生產(chǎn)流程和電特性，IGBT取代了結(jié)型晶體管、閘流晶體管和Si MOSFET。一個(gè)原因是，即使在上世紀(jì)七十年代也需要承載超過(guò)1000V電壓并控制超大電流的器件。而結(jié)型晶體管和閘流晶體管只能在600V以下工作。而且，硅IGBT成熟的結(jié)構(gòu)和制作流程，在12英寸晶圓上大大降低了成本，并改善了電特性和性能。

圖 2 給出典型的Si IGBT橫截面。這是一個(gè)絕緣柵雙極性晶體管，觸點(diǎn)稱為集電極、發(fā)射極和柵極。

圖2.硅IGBT截面圖

集電極連接到硅基板上，觸點(diǎn)區(qū)域P摻雜。發(fā)射極觸點(diǎn)在N摻雜區(qū)域（黃色）和P基區(qū)域（紅色）之間。柵極與MOS柵極類似。硅 IGBT的基本材料是硅基板。這種材料的帶隙和熱傳導(dǎo)特性見(jiàn)表1。從圖1的橫截面可以看出輸入電容的存在，電容是開(kāi)關(guān)頻率的重要參數(shù)。

接下的兩個(gè)部分是硅IGBT和SiC MOSFET及GaN HEMT的比較。

B. 碳化硅

碳化硅是50%硅和50%碳合成的IV-IV族半導(dǎo)體。這是硅和碳的200種可能組合中唯一穩(wěn)定的混合。這種混合物在高壓應(yīng)用中有不同的多型體。4H-SiC是最合適的多型體，其特性參照表2，與硅IGBT相比，具有三倍的帶隙，更好的熱傳導(dǎo)性能，更低的輸入電容，所以有更高的開(kāi)關(guān)頻率。

即使碳化硅MOSFET 到處都可以得到，但在電動(dòng)汽車市場(chǎng)僅占大約10%的份額。主要原因是絕大多數(shù)的碳化硅MOSFET仍然出自4英寸晶圓，價(jià)格比硅IGBT更高。同時(shí)。制造過(guò)程中有20%的晶格常數(shù)失配，8%的熱擴(kuò)散系數(shù)失配，碳化硅層包含大量的結(jié)晶缺陷。所有這些導(dǎo)致與硅工藝相比的低良率和高價(jià)格。

圖3.SIC MOSFET橫截圖

圖3是基于碳化硅的典型MOSFET橫截圖。觸點(diǎn)像硅 MOSFET一樣，稱為柵極、漏極和源極。該結(jié)構(gòu)與硅IGBT相比有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電源功率模塊驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如馬達(dá)，硅IGBT需要并聯(lián)續(xù)流二極管，而碳化硅MOSFET就不需要。在過(guò)去幾年，碳化硅MOSFET的本體二極管得到增強(qiáng)，其反向電流比快速續(xù)流二極管的電流小。

四顆IGBT和四個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成的半橋電源功率模塊，使用碳化硅技術(shù)，就只需要四顆碳化硅MOSFET即可。易于平衡電路的DC行為、AC行為、器件溫度和較低的EMC輻射。更小的尺寸，更好的熱傳導(dǎo)性能利于系統(tǒng)集成和降低電磁輻射。

C. 氮化鎵

氮化鎵（GaN）也是電源電路的重要材料，其材料特性完美匹配超高頻電路的需要，可以實(shí)現(xiàn)大電流密度和大器件尺寸，但是目前，根據(jù)S. Agarwal 在“Status of the Power Module Packaging Industry 2021”一文內(nèi)容，氮化鎵器件的使用不超過(guò)1%。對(duì)于氮化鎵器件，一般不用IGBT或MOSFET命名，而是稱為高電子遷移率晶體管，即HEMT。

圖4.GaN HEMT 橫截圖

圖4 是GaN HEMT的橫截面示意圖。這種器件使用多種材料，構(gòu)成混合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)類型比硅和碳化硅有一定的優(yōu)勢(shì)。比如，氮化鎵器件有更好的輸出功率與頻率比。在表3中，可以看到更高的開(kāi)關(guān)頻率?；旌辖Y(jié)構(gòu)也有缺點(diǎn)，層間很小的裂紋也會(huì)降低熱阻，導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。

氮化鎵器件沒(méi)有在電動(dòng)汽車的電源電路中廣泛使用另一個(gè)原因是氮化鎵器件是典型的耗盡型器件。在柵極電壓為0時(shí)，就導(dǎo)通，對(duì)電源電路的控制電路來(lái)說(shuō)是不適用的。這只是阻礙氮化鎵器件在電力市場(chǎng)應(yīng)用的兩個(gè)例子。

電源功率模塊設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)是在給定產(chǎn)品需求的基礎(chǔ)上，選擇最合適的工藝和技術(shù)，如電特性、熱特性、成本和尺寸。因而，對(duì)器件和工藝支持方便交換的設(shè)計(jì)流程才是最需要的。

表4中的數(shù)值可以簡(jiǎn)化基板材料的決策。Si3N4有更優(yōu)的特性，但前面提到的成本問(wèn)題也是重要的考慮因素。另外，使用薄層Al2O3陶瓷可以補(bǔ)償很多特性參數(shù)，比如熱傳導(dǎo)性。同時(shí)，設(shè)計(jì)師面臨選擇，首先選擇哪種器件和器件工藝最適合產(chǎn)品需要，然后才是挑選合適的基板工藝。目前，電源功率模組的設(shè)計(jì)過(guò)程中并不經(jīng)常使用仿真工具，這是需要多次的物理樣機(jī)制作的重要原因。設(shè)計(jì)師選擇硅或碳化硅器件，Al2O3 和Si3N4基板，這就有四種可能性，還沒(méi)有考慮布局、布線、機(jī)械結(jié)構(gòu)等等。仿真器也可以稱為“答案生成器”，產(chǎn)品需求和給定的工藝形成問(wèn)題，仿真器——HyperLynx Advanced Solver或者Simcenter FloEFD會(huì)給出答案。這個(gè)答案幫助設(shè)計(jì)決策，而不是制作物理樣機(jī)。

? 開(kāi)關(guān)速度

? 開(kāi)關(guān)損耗

? 電壓過(guò)沖

文章“A new method to extract stray induc- tance in IGBTs’ dynamic testing platform”10顯示，電源功率模組的分布電感測(cè)量是復(fù)雜而重要的工作。而取代物理樣機(jī)測(cè)量

分布電感，就是使用仿真工具。在進(jìn)一步討論之前，有必要說(shuō)明什么是分布電感。分布電感是電流路徑里來(lái)自器件、連線、覆銅平面和銅線的不需要的電感元素。

圖6所示的電源功率模組，分布電感的電流路徑可以定義為所有IGBT器件的路徑的疊加。

圖6.PI2000電源功率模組的原理圖

圖7 是一個(gè)分布電感仿真的例子。第一種情況（紅色波形）是1nH分布電感，第二種情況（綠色波形）是10nH，第三種情況（藍(lán)色波形）是100nH。

圖7.PI2000 IGBT 通斷周期的電流和電壓

測(cè)量有兩種方法。第一種是測(cè)量IGBT或晶體管從通到斷時(shí)的電壓過(guò)沖和電流擺率。續(xù)流二極管在大正向電流的情況下，壓降可以忽略。

第二種方法是使用導(dǎo)通波形。此時(shí)，仍然使用電流擺率，不再使用電壓過(guò)沖，而是觀察到的發(fā)射極或源極的電壓平臺(tái)。仿真軟件與物理樣機(jī)測(cè)試相比有巨大優(yōu)勢(shì)，測(cè)試設(shè)備的寄生參數(shù)必須在得到分布電感的過(guò)程中被去除，才能得到分布電感的真實(shí)數(shù)值。分布電感的目標(biāo)值不能超過(guò)2nH, 在硅IGBT設(shè)計(jì)中很難達(dá)到。因而在沒(méi)有仿真的情況下，需要制作多種樣機(jī)來(lái)比較測(cè)試，或者降低開(kāi)關(guān)頻率。HyperLynx Advanced Solver Fast 3D 的準(zhǔn)靜態(tài)求解器能夠在幾分鐘之內(nèi)計(jì)算分布電感的值。在不同的器件布局、銅走線和鍵合線的位置等情況下，快速優(yōu)化設(shè)計(jì)使得分布電感的值小于2 nH。同時(shí)減少了物理樣機(jī)的制作和測(cè)量，降低了成本，也有益環(huán)保。

銅線和鍵合線的電流密度對(duì)電源功率模組非常重要?；邴溗咕S爾方程，電流密度定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間流過(guò)單位面積的電荷總量。因此電流密度是有方向的矢量。在圖8基于PI2000的例子中，電流密度矢量用長(zhǎng)度來(lái)表示，顏色是電流密度值的幅度。

圖 8.在0 Hz時(shí)鍵合線上的電流密度

? 需要多少鍵合線?

? 流過(guò)鍵合線的電流是否均勻?

? 需要哪種導(dǎo)電材料?

? 電流密度的熱點(diǎn)與器件相關(guān)嗎？不同布局會(huì)怎樣？

? 不同負(fù)載情況下的電流密度?

沒(méi)有仿真軟件, 像西門(mén)子的Fullwave Solver HPC, 不可能得到整個(gè)電源功率模組的電流分布。而且，在考慮不同頻率，如0Hz、10kHz、100kHz、1MHz等條件時(shí)，情況變得更為復(fù)雜。趨膚效應(yīng)和電流位移在正反向供電時(shí)起到重要作用。如圖9所示。

圖 9.在10 MHz時(shí)鍵合線上的電流密度

圖 9顯示與圖8同樣的電流激勵(lì)規(guī)模下的情況。電流密度與頻率和布局高度相關(guān)。在這個(gè)頻率下，可以看到散熱器表面和元件接觸點(diǎn)的 均衡電流。不做全面的仿真，就沒(méi)有這些發(fā)現(xiàn)。

電源功率模組有很寬的功率范圍，從幾瓦的小器件，幾千瓦的高壓器件，到兆瓦的高功率器件。即使冷卻效率到99%，熱傳遞仍是非常顯著的。以下給出具體的例子。中性尺寸的電源功率模組，輸出功率是100KW，冷卻效率是99.9%，只有0.1%的電能轉(zhuǎn)化成熱能，仍然有100W。這個(gè)功率范圍的電源功率模組，比如Infineon FS650R08A4P2, 在不考慮連接器和總線的情況下，只有大約100 mm x 24 mm的表面積。

熱傳遞方式有三種：輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)。電源功率模組與其他系統(tǒng)高度集成，因此只需考慮熱傳導(dǎo)。目前，主要采用基于圖10的熱阻線性熱傳導(dǎo)模型。市面上和數(shù)據(jù)手冊(cè)中，有兩種方式描述電源功率模組的熱行為：

1) 機(jī)殼

2) 散熱片

帶機(jī)殼的電源功率模組，只描述從器件，硅、碳化硅或氮化鎵到機(jī)殼表面的熱阻路徑。

圖 10.PCB的線性熱模型

這種描述的優(yōu)勢(shì)在于，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)熱傳遞都很精確。在靜態(tài)熱傳遞過(guò)程中，熱電偶就足夠了，對(duì)于動(dòng)態(tài)情況，熱容量太大了，影響結(jié)果的精度。其他技術(shù)，如熱成像，在測(cè)量動(dòng)態(tài)熱傳遞情況時(shí)更為準(zhǔn)確。這種方式的優(yōu)點(diǎn)正是第二種方式的缺點(diǎn)。

? 器件溫度是否均勻?

? 器件到散熱片或機(jī)殼的熱阻值是多少?

? 什么是最佳的熱接觸材料?

? 我如何優(yōu)化器件布局來(lái)改善熱行為?

? 應(yīng)該使用什么材料?

? 散熱片的尺寸是多少?

圖11顯示沒(méi)有散熱片的PI2000設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果。不需要物理樣機(jī)和熱成像，就可以容易地看出器件布局對(duì)溫度的影響。

圖 11.FloEFD中的PI2000電源功率模組

溫度和熱通量圖幫助設(shè)計(jì)師理解熱傳遞的機(jī)制。熱阻的仿真也是簡(jiǎn)單到一鍵完成，只需給器件設(shè)置為1W的熱源，并設(shè)置機(jī)殼底部為常數(shù)溫度即可。仿真得到的溫度與環(huán)境不同，是因?yàn)榻Y(jié)殼熱阻的存在。

同樣，帶有散熱機(jī)制的模型也能仿真。圖12顯示了水冷模式下PI2000電源功率模組?；诜抡娴脑O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法讓設(shè)計(jì)師優(yōu)化電源功率模組性能，并保證設(shè)備的長(zhǎng)期可靠性。

圖 12.FloEFD仿真水冷下的PI2000電源功率模組

電源功率模組的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性，設(shè)計(jì)師需要選擇最好的器件工藝、基板材料、器件布局、銅線和鍵合線位置等等，以實(shí)現(xiàn)電子、EMC和熱等領(lǐng)域的全部產(chǎn)品目標(biāo)。

當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法基于實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)了問(wèn)題不能直接指出設(shè)計(jì)的修改意見(jiàn)，也無(wú)法跟蹤記錄，以保證新產(chǎn)品的需要。

而且，在目前典型的電源功率模組設(shè)計(jì)流程中，設(shè)計(jì)任務(wù)，如原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)，和仿真不是緊密關(guān)聯(lián)的，甚至不用仿真。這就產(chǎn)生很多問(wèn)題，比如：反復(fù)的設(shè)計(jì)更改。

這種易錯(cuò)工作流程，多數(shù)是由不同軟件廠商的復(fù)雜工具組成的，數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出，使得數(shù)據(jù)的完整性和一致性很難保證。流程的不連續(xù)、大量手工操作、仿真工具很少使用，都帶來(lái)研發(fā)成本的提高。

由于所有產(chǎn)品需求的驗(yàn)證都需要物理樣機(jī)，在多領(lǐng)域設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和互相折衷的情況下，設(shè)計(jì)結(jié)果就變得不可預(yù)測(cè)，產(chǎn)品的交付常常延期。

基于以上原因，需要一種高度集成的設(shè)計(jì)流程，如圖13所示。

圖 13.Siemens EDA 電源功率模組設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程

圖 14.Xpedition Designer的原理圖繪制

在上面的流程中, 原理圖的繪制是在Xpedition Designer 和Xpedition EDM中完成的，該環(huán)境易于挑選合適器件，并高效地實(shí)現(xiàn)器件擺放和連線。

交互對(duì)齊，復(fù)制粘貼式的設(shè)計(jì)復(fù)用讓原理圖的繪制更加容易。

集成的功能仿真工具Xpedition AMS，支持多種語(yǔ)言的模型，如SPICE, VHDL-AMS, C, 和其他類型，保證設(shè)計(jì)早期的電路功能正確。在波形分析儀中檢查信號(hào)波形，測(cè)量關(guān)心的波形指標(biāo)，如擺率等，如圖15所示，就像現(xiàn)在的示波器一樣。在這一設(shè)計(jì)階段，幫助設(shè)計(jì)優(yōu)化，避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

圖 15.Xpedition AMS的波形分析儀

Xpedition Layout 的高級(jí)封裝選項(xiàng)是電源功率模組設(shè)計(jì)的必有工具，而不是當(dāng)前常用的機(jī)械設(shè)計(jì)工具。鍵合線完全參數(shù)化，手工交互擺放。圖16的3D顯示，和導(dǎo)入機(jī)械外殼的能力，幫助鍵合線的檢查和優(yōu)化。2D和3D設(shè)計(jì)規(guī)則實(shí)時(shí)智能檢查確保在交互式擺放鍵合線時(shí)一次成功。另外，設(shè)計(jì)師可以方便地直接獲取鍵合線的長(zhǎng)度和角度信息。

圖 16.Xpedition Layout的3D顯示

HyperLynx Advanced Solver 能夠仿真電源功率模組的分布電感和電流密度。有了這些信息，鍵合線的數(shù)量不需要猜想，電流擺率與分布電感相乘，就可以測(cè)算過(guò)沖了。

仿真也可以考慮不同負(fù)載的情況。比如，100安培。圖17幫助找到電流熱點(diǎn)，和電流的不均勻分布情況。

圖 17.HyperLynx Advanced Solver Fast 3D 電流密度

HyperLynx Full Wave Solver可以計(jì)算電磁場(chǎng)。幫助優(yōu)化模組在真實(shí)場(chǎng)景中的性能。

近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)情況可通過(guò)添加不同的觀測(cè)面來(lái)獲得。

圖 18.HyperLynx Advanced Solver Fullwave HPC

最后，器件管腳之間的電氣參數(shù)自動(dòng)反向標(biāo)注到 Xpedition Designer 和 Xpedition AMS工具中。

硬件工程師就可以仿真設(shè)計(jì)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的真實(shí)開(kāi)關(guān)特性。這些波形可以用于熱仿真工具Simcenter FloEFD 來(lái)計(jì)算靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的開(kāi)關(guān)損耗。Xpedition AMS 能讀入各種類型的寄生原件，如Spice 電路、S參數(shù), Z參數(shù)和Y參數(shù)。智能的網(wǎng)絡(luò)處理過(guò)程自動(dòng)把寄生參數(shù)嵌入網(wǎng)表，無(wú)需改動(dòng)原理圖。這保證了電源功率模組設(shè)計(jì)流程中的數(shù)據(jù)一致性。

圖19顯示了沒(méi)有寄生參數(shù)的仿真結(jié)果和測(cè)量的每個(gè)器件的實(shí)際電壓值之間明顯地不同。

圖 19.Xpedition AMS的波形分析

有了這些電壓值，就可以在Simcenter FloEFD中進(jìn)行熱分析了。電源功率模組本身，或者整個(gè)逆變器，包括散熱片，作為一個(gè)基本單元。因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)只需考慮傳導(dǎo)型熱交換，仿真可以非常快速地進(jìn)行，也可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)研究以找到最佳的熱接觸材料。

圖 20.Simcenter FloEFD進(jìn)行熱分析

圖 21.Xpedition AMS中嵌入BCI-ROM模型

從FloEFD輸出BCI-ROM模型，與功能組件連接到一起，就可以進(jìn)行電熱仿真了（圖21所示）。同樣，VHDL-AMS格式的BCI-ROM模型全部連入網(wǎng)表或原理圖中。聯(lián)合仿真全面顯示了電源功率模組帶載開(kāi)關(guān)特性的動(dòng)態(tài)熱行為。

與松散連接的設(shè)計(jì)流程相比，本文使用西門(mén)子產(chǎn)品 Xpedition, HyperLynx, 和Simcenter構(gòu)成了無(wú)縫數(shù)字化的電源功率模組設(shè)計(jì)流程。減少研發(fā)互動(dòng)成本只是高度集成的工作方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需物理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)加速和優(yōu)化，并幫助改善多領(lǐng)域的產(chǎn)品可靠性才是關(guān)鍵。單一供應(yīng)商的解決方案通過(guò)高度自動(dòng)化、多領(lǐng)域驗(yàn)證，保證并簡(jiǎn)化了整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

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