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采用芯片-陶瓷散热封装的SiC功率模块EMI抑制方法
EMI Mitigation for SiC Power Module With Chip-on-Ceramic Heatsink Packaging
| 作者 | Zhaobo Zhang · Wenzhi Zhou · Xibo Yuan · Elaheh Arjmand · Lihong Xie |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 功率模块 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅功率模块 陶瓷散热片封装 共模噪声 热性能 降压转换器 |
语言:
中文摘要
本信函提出采用陶瓷散热片上芯片封装方式,以在封装层面降低共模(CM)噪声,同时改善碳化硅(SiC)功率模块的热性能。该封装方式将碳化硅金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)直接连接到金属化氮化铝(AlN)陶瓷散热片上,减少了开关节点与地之间的共模电容耦合,从而降低了共模噪声。搭建了一个400至200V的直流 - 直流降压转换器,以验证该封装方式在抑制共模噪声方面的有效性。实验结果表明,共模电流有所降低,与传统无基板模块相比,陶瓷散热片上芯片功率模块在5至20MHz频谱范围内的共模电流降低了超过5dB。热测试结果显示,由于散热片与芯片之间的层数减少,陶瓷模块的热性能优于传统模块。
English Abstract
This letter proposes the use of a chip-on-ceramic heatsink packaging to reduce common-mode (CM) noise at the package level while improving thermal performance for SiC power modules. The packaging directly attaches the SiC mosfets to a metallized AlN ceramic heatsink, reducing CM capacitive coupling between the switching node and ground, thereby decreasing CM noise. A 400 to 200 V dc–dc buck converter is built to validate the effectiveness of the packaging in mitigating CM noise. The experimental results demonstrate a reduction in CM current, with a decrease of over 5 dB between 5 and 20 MHz frequency spectrum for the chip-on-ceramic heatsink power module compared to a conventional nonbaseplate module. Thermal test results indicate that the ceramic module exhibits better thermal performance than the conventional module, due to the reduced layers between the heatsink and the dice.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项芯片直接封装于陶瓷散热器的SiC功率模块技术具有重要的战略价值。该技术通过减少开关节点与地之间的共模电容耦合,在5-20 MHz频段实现了超过5 dB的共模噪声抑制,这对我们的光伏逆变器和储能变流器产品具有直接应用意义。
在光伏逆变器领域,随着SiC器件的广泛应用,高开关频率带来的EMI问题一直是制约系统性能的关键瓶颈。该技术在封装层面解决EMI问题,可显著降低我们产品的滤波器体积和成本,同时提升功率密度。特别是在大型地面电站和工商业分布式项目中,EMI性能的改善有助于满足更严格的电网并网标准,减少对周边通信设备的干扰。
该技术的另一优势在于热性能提升。通过减少芯片与散热器之间的热阻层,可以更有效地散热,这对于我们的储能系统尤为关键。在高功率密度的储能变流器设计中,热管理往往是限制因素,该封装方案可支持更高的功率输出或更紧凑的系统设计。
然而,技术应用仍面临挑战。AlN陶瓷基板的成本较高,需要评估其在大规模生产中的经济性。此外,芯片直接贴装工艺对制造精度要求更高,需要建立相应的质量控制体系。建议我们与封装供应商开展联合开发,针对1500V高压系统和大电流应用场景进行定制化设计,同时在实验室环境中验证其在不同工况下的长期可靠性,为产品升级做好技术储备。