日立第三代直接水冷型雙面冷卻功率模塊技術解析

劉春梅， 陳 琨

（湖南汽車工程職業(yè)學院， 湖南 株洲 412000）

為了應對800V系統(tǒng)高壓的新型逆變器， 日立AMS不僅重新更換了逆變器的絕緣設計， 還新開發(fā)出了搭載高電壓下絕緣散熱封裝技術的第三代直接水冷型雙面冷卻功率模塊。 通過技術更新， 新型逆變器是傳統(tǒng)逆變器電壓強度的2倍， 達到800V， 輸出密度為94.3kVA/L。 本文對日立AMS開發(fā)的功率模塊進行深入分析， 充分說明了模塊組成和外殼封裝， 揭示了日立第三代雙面冷卻組件的創(chuàng)新技術， 以及優(yōu)化功率模塊的端子布置、 導體積層型絕緣片等技術。

1 前言

提高逆變器的功率密度需要降低功率模塊的熱阻抗和功率損失， 還要保證較高的可靠性和穩(wěn)定性。 車載功率模塊的冷卻方式開始采用冷卻油的單面冷卻方式， 之后放棄冷卻油而采用低熱阻抗的單面直接水冷方式， 到現在雙面水冷卻方式成為了主流。 日立800V系統(tǒng)電壓逆變器中第三代功率模塊采用降低熱阻抗直接水冷型的雙面冷卻， 其功率元件IGBT和二極管的兩面直接與含有冷卻水的散熱片接觸散熱。

圖1 為直接水冷型雙面冷卻的功率模塊結構。功率元件產生的熱量通過絕緣層從散熱片直接散熱， 熱阻抗比單面間接冷卻型要降低50%。 圖2為雙面冷卻功率模塊的外觀圖， 功率半導體和引線框架等部件壓注模封裝， 收納在鋁合金的模塊殼體內， 與冷卻水完全隔開。 在模塊殼體的開口處有AC端子、 DC端子和輸出信號端子。

圖1 功率模塊雙面直接水冷的結構

圖2 雙面水冷型功率模塊的外觀圖

2 低電感技術

過去， 雙面冷卻功率模塊廣泛采用逆變器一側的部分功率元件的內置于殼體， 即1合1的封裝方式， 這樣隨著實際接線的復雜化， 由于浪涌電壓的原因， 存在寄生電感增加的問題。 為降低轉換損失而采用高速轉換就必須減少寄生電感， 采用上下部分的半導體芯片附近能夠接線的2合1封裝技術， 而且能保持各自的低電感構造。 功率模塊的電路構成如圖3所示。

圖3 功率模塊的電路構成

寄生電感和IGBT等的功率元件電流切換速度的乘積就是浪涌電壓。 在功率元件工作及不工作的轉換時間內， 直流電壓和浪涌電壓都必須控制在功率元件的耐受電壓以下。

在第三代雙面水冷型功率模塊中， 將直流端子做成2個同電位的正極端子和2個同電位的負極端子， 采用交互配置的構 造， 即負極N1/正極P1/負極N2/正極P2的排列形式， 如圖4所示。 這種結構可以提高消除正極端子和負極端子中因電子流動方向相反的過渡電流的磁束和磁束變化的效果， 也就可以得到降低寄生電感的效果， 如圖5所示。 正極端子和負極端子一根隔一根的布置與以前的功率模塊端子相比， 電感降低了約30%。

圖4 功率模塊直流端子外觀圖

圖5 功率模塊交變直流端子磁場消除原理圖

3 絕緣散熱封裝技術

雙面水冷型功率模塊在功率元件、 導線框架和散熱的鋁散熱片之間采用樹脂絕緣層來進行絕緣和散熱， 如圖6所示。 絕緣層填充的陶瓷填料在提高熱傳導效率的同時， 還承擔了引線框架和鋁散熱片之間的熱量結合。 與陶瓷基板相比， 陶瓷填料因自身的熱傳導率低， 在構造上可能實現薄膜化， 從而在體積不變的情況下確保高散熱性能。

圖6 功率模塊絕緣層結構圖

在連接引線框架和鋁散熱片的絕緣層會產生非常小的空隙， 該空隙在功率元件轉換時會引起外加交流電場。 如果外加的交流電場破壞了空隙內部空氣層的絕緣， 就會發(fā)生局部放電， 其產生的熱量會進一步引起絕緣層的樹脂成分的劣化， 最終成為功率模塊的絕緣耐受電壓下降的原因。

為防止普通絕緣層內部因空隙發(fā)生局部放電， 一般會將絕緣層的厚度設定為厚膜化。 但是， 當功率模塊為800V系統(tǒng)電壓時， 采用增加絕緣層厚度的方法會增加功率模塊的熱阻抗， 從而造成功率下降或者功率模塊及逆變器大型化。 因此在第三代功率模塊中， 絕緣層內部安裝了層積疊放的導體箔， 開發(fā)了可以降低外加電壓的導體層積型絕緣層。

局部放電是在空氣層外加電壓比空氣的絕緣擊穿電壓高的時候發(fā)生， 一般根據帕邢定律進行模型化， 其表達為擊穿電壓是電極距離和氣壓乘積的函數。 此局部放電特性的極小值比工作時的外加電壓高， 而不發(fā)生局部放電的現象稱為安全局部放電。 第三代功率模塊中導體層積型絕緣層通過導體箔對外加電壓進行分壓， 空隙可以降低外加電場。

圖7a是普通型絕緣層的構造， 圖7b是導體層積型絕緣層的構造。 在圖7a、 圖7b的引線框架和鋁散熱片之間絕緣層的厚度上同時外加電壓， 且在絕緣層形成的空隙尺寸相同， 圖7b為絕緣層中央形成導體箔的解析結果。 如圖7b所示的導體積層型絕緣層在空隙上外加的電場強度比普通型絕緣層降低80%， 這是因為通過引線框架和鋁散熱片之間導體箔的電位差可以在上下二層的絕緣層進行分壓， 當導體箔的電位固定在中間電位時， 空隙外加電場強度可以降低。 根據不同的分壓效果， 在功率模塊的絕緣層上可以改善局部放電特性。

圖7 功率模塊絕緣層電場解析圖

圖8是根據帕邢定律在絕緣層內部形成空隙時計算出來的局部放電特性的結果。 橫軸表示空隙內的氣體壓力一定時的空隙厚度， 分為導體層積型絕緣層的總厚度等于普通型絕緣層厚度以及1.5倍普通型絕緣層厚度等。 經過對各曲線進行比較， 導體層積型絕緣層比厚膜化普通型絕緣層最小值時的安全局部放電的電壓高， 也就是說導體層積型絕緣層可以提高局部放電特性。 因此， 第三代功率模塊的導體層積型絕緣層放到高電壓800V的系統(tǒng)中， 不增加熱阻抗的同時提高了局部放電電壓， 從而實現功率模塊的高耐壓化。

圖8 絕緣層的局部放電特性

4 總結

為適應電動汽車800V的系統(tǒng)電壓， 必須重新對逆變器全體進行絕緣設計， 并且在模塊化概念的基礎上功率模塊的并聯驅動才能實現高功率化。

同時， 作為逆變器關鍵部件的功率模塊， 采用獨立的直接水冷型雙面冷卻方式， 再結合為高速轉換而開發(fā)的低電感的交錯直流端子結構， 以及為防止局部放電而開發(fā)的導體層積型絕緣層， 可以實現系統(tǒng)電壓增加到800V， 而模塊體積在不增加的情況下， 擁有高耐受電壓和高功率密度的性能。