如何冷却电源模块，采用双面间接冷却还是单面直接冷却？

作者：John Mookken，Udaykumar Vangaveti

近年来，电动汽车（EV）的销售增长对功率半导体模块产生了巨大的需求。电源控制单元（PCU）是EV中的主要子系统之一。它由电源模块（当前为大功率IGBT），电容器组和栅极驱动器以及许多其他组件组成。大多数电动汽车或混合电动汽车（HEV）制造商都在使用大功率IGBT模块，该模块约占功率控制单元成本的40％。新型先进的电动汽车需要功率密度高，可靠性高且成本较低的电源模块。

图1：底部带有针状鳍片结构的单侧直接冷却6-pak模块（左）与安森美半导体的新型VE-TracTM双侧冷却半桥模块（用于电动牵引驱动器的双电源模块）相比。

设计人员在PCU中使用电源模块时面临的一大挑战是弄清楚如何冷却电源模块。冷却电源模块的最常用方法之一是直接冷却具有集成针脚-翅片结构的6-pak模块。但是，采用半桥配置的新型电源模块可在模块的两侧进行间接冷却（请参见图1中的比较）[1]。通过直接冷却，冷却介质（例如50/50的水/乙二醇混合物）与功率模块直接接触。通过间接冷却，模块将连接至密封的散热器，该散热器将通过液体进行主动冷却。液体未与模块直接接触（请参见图2中的插图）。但是对于间接冷却，必须在散热器和模块之间使用热界面材料（TIM）。TIM的导热性不如金属，因此在从半导体器件到液体冷却介质的热流路径中会产生“阻塞点”。如果模块直接冷却，则无需TIM。不难发现，如果所有条件都相同，那么直接冷却比间接冷却是一种更好的冷却模块的方法。

图2：图示了直接冷却和间接冷却的电源模块的热流路径。

但是，如果电源模块提供双侧冷却，则它的面积大约是与冷却器接触的面积的两倍。这产生了从半导体器件到冷却液的两条热路径。这自然会引出一个问题，即哪种方法更好？对于相同尺寸的半导体器件，最好采用双面间接冷却还是单面直接冷却？

双面冷却模块的基本结构和示意图如图3所示。DSC（双面冷却）模块在主IGBT芯片上配有温度感测二极管和电流感测IGBT。该温度感应二极管的目的是监视IGBT的结温，而电流感应IGBT用于测量开关期间的芯片电流。

图3：半桥双侧冷却电源模块的基本内部结构

使用热双界面方法（TDIM）[2]，可以从结构函数分析中提取热堆叠中每一层的热阻。由于DSC模块的结构，这是进行测量的唯一实用且最简单的方法。

DSC模块的直接键合铜隔离（DBC）陶瓷基板由Al2O3制成，大型金属垫片提供了机械支撑，并提供了更好的IGBT和二极管散热性能。安森美半导体的新型VE-TracTMDSC模块具有750V的阻断电压能力和800 A的连续集电极电流。模块的最大连续结温为175°C。由于模块不是传统的硅胶填充设计，而是使用硬质环氧树脂模塑料且不包含引线键合，因此这是可能的。DSC模块的双面冷却散热器如图4所示。

图4：定制的散热器，设计用于分隔入口流以冷却电源模块的两侧

该双面散热器的顶部和底部均采用Pin Fin结构，这大大提高了DSC模块的热性能。为了减少系统中的压降，删除了模块之间的针翅结构。

DSC模块采用半桥配置，由IGBT和面积分别为231 mm2和116 mm2的反并联快速恢复二极管（FRD）组成。为了进行这项研究，选择了来自不同批次的几个DSC模块。

将DSC模块安装到液体冷却的散热器上，模块两侧均带有热界面材料（TIM），将1 NM的夹紧扭矩施加到散热器的固定螺钉上，以确保模块与散热器之间的良好热接触。选择的TIM材料是霍尼韦尔PTM 7000，它是具有6.5 W / mK导热率的相变材料。在高于45°C的温度下，TIM材料的接触电阻较低，这可以通过加热水冷套管来实现（在60°C下从外部（包括DSC模块）放置1小时。TIM材料在60°C时从固态变为液态。为了测量IGBT或二极管的热阻，将250 A的加热电流和100 mA的感应电流（IM）施加到被测器件（DUT），直到达到热稳态条件（30sec） 。在加热阶段，将监控集电极发射极电压降，该电压降可用于计算IGBT或二极管的加热功率。一旦模块达到热稳态条件，加热电流就会关闭或减小到感应电流IM的水平。MicRed Power测试仪记录DUT的相应电压变化（Vce，Vf）。测量开始时的电气干扰（电压瞬变）已通过T3ster主软件进行了纠正。然后，通过以下等式（1）和（2）将IGBT和二极管的冷却瞬态曲线转换为结温：加热电流将被关闭或减小到感应电流IM的水平。MicRed Power测试仪记录DUT的相应电压变化（Vce，Vf）。测量开始时的电气干扰（电压瞬变）已通过T3ster主软件进行了纠正。然后，通过以下等式（1）和（2）将IGBT和二极管的冷却瞬态曲线转换为结温：加热电流将被关闭或减小到感应电流IM的水平。MicRed Power测试仪记录DUT的相应电压变化（Vce，Vf）。测量开始时的电气干扰（电压瞬变）已通过T3ster主软件进行了纠正。然后，通过以下等式（1）和（2）将IGBT和二极管的冷却瞬态曲线转换为结温：

其中PH是IGBT或二极管上的功耗，而TC是流体温度。

在65℃的流体温度和8l / min的流速下进行测量，并通过循环冷却器控制流体温度。如前所述，为了使用JESD51-14标准[3]中解释的TDIM方法评估Rth-JC，测量了两条热阻抗曲线（带和不带TIM）。使用和不使用TIM材料的温度变化分别为25°C和45°C。使用和不使用TIM材料的相应功率步长分别为200W和205.4W。Zth-JF可以通过以功率步长归一化温度变化来计算。IGBT的最终Zth-JF值为0.126 K / W。在相同条件下，二极管的阻抗曲线经计算为0.19 K / W。TIM材料的使用降低了从外壳到散热器的热阻，因此，图5所示的两条阻抗曲线的转移点为有效Rth-JC。随着两条曲线逐渐分开，很难定义曲线的确切发散点（请参见图5）。T3ster主软件使用两种不同的方法来定义分离点。

图5：带和不带TIM的电源模块的比较Zth。两条线分开的点表示模块上DBC铜层的外边缘。

为了更精确地定义分叉点，考虑了阻抗曲线的导数。下一步是用热阻曲线的稳态距离（Δθ）归一化导数的差。由于归一化差异中存在噪声，因此需要指数拟合来估算有效Rth-JC。IGBT的“有效” Rth-JC将DSC中的两条热流路径视为一条有效路径，该路径由DSC模块中的顶部和底部热流确定。使用导数增量法，测得的有效Rth-JC，IGBT为0.03 K / W，二极管为0.05 K / W。

IGBT和二极管的结构函数（SF）是累积热电容的总和，它是从结点到流体的累积热阻的函数。结构函数定义了从结到散热器的每个单独层的热特性。如果材料的热特性发生变化，SF就会开始偏离。两个结构函数（带和不带TIM）的累加差定义了Rth-JC值。可以使用T3ster主软件将阻抗曲线转换为结构函数。

每个单独层的热阻可以通过结构函数中的斜率变化来定义。从IGBT的结构功能来看，热电容的增加表明材料体积被加热，而热阻的增加表明热量从一层传递到另一层。

使用SF分析的IGBT和二极管的有效Rth-JC为0.03 K / W和0.05 K / W。两种方法均产生一致的结果。

DSC模块是一种经济高效的解决方案，即使使用更少的硅，我们也可以实现更好的热性能。表1显示了在相同的IGBT和二极管芯片面积下，DSC模块与传统的单侧直接冷却模块的比较。应该指出的是，即使硅面积减少了23％，IGBT管芯的热阻也类似于单侧直接冷却模块。如果使用二极管，则可在减少硅面积23％的情况下实现与单面直接冷却模块相同的热性能。DSC模块具有此处未评估的其他优势，例如，无键合封装，可连续运行的175°C器件结温，无铜基板以及由于采用传递模塑封装设计而降低了每kW成本。

表1.双面间接冷却和单面直接冷却之间的热性能比较。

结果还指出了功率模块的未来方向。实施双面直接冷却可能是散热效率更高的电源模块的最佳解决方案。

想要查询更多的信息：

[1]朱世武，李云，王彦刚，马亚青，吴春东，焦明良，赵振龙和于军，“先进的双面冷却IGBT模块和功率控制单元”，2017年国际集成功率封装研讨会

[2] D. Schweitzer，H。Pape和L. Chen，“使用结构函数对结到外壳的热阻进行瞬态测量：机会和限制”，Proc。安努24日。IEEE半导体热测量。管理。症状（SEMI-THERM），2008年3月，第191-197页。

[3]瞬态双接口测试方法，用于测量具有通过单路径的热流的半导体器件的热阻结壳温度，标准JESD51-14-JEDEC，JEDEC

编辑：hfy