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功率器件技术 功率模块 ★ 4.0

直接键合铜基板底部铜层对功率模块局部放电性能的影响

Impacts of the Bottom Copper Layer of Direct-Bond Copper Substrates on the Partial Discharge Performance in Power Modules

作者 Yuan Gao · Kai Yin · Claus Leth Bak · Asger Bjørn Jørgensen · Zichen Zhang · Hongbo Zhao
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年12月
技术分类 功率器件技术
技术标签 功率模块
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 直接键合铜基板 局部放电性能 底部铜层 电场分布 局部放电起始电压
语言:

中文摘要

本文研究了直接键合铜(DBC)基板底部铜层对功率模块局部放电(PD)性能的影响。建立了不同布局的DBC样品有限元仿真模型,并对其电场分布进行了对比分析。结果表明,通过使底部铜层浮空、施加一半的高压,或者部分或完全去除底部铜层,可以显著降低DBC基板三相点处的最大电场。制作了多个DBC样品,并对其局部放电性能进行了实验测试。完全去除底部铜层可使局部放电起始电压(PDIV)提高79%以上。实验结果与仿真分析吻合良好,验证了研究结果。制作了一个采用完全去除底层铜概念的模拟功率模块,并按照IEC 60270标准测试其局部放电性能。与传统功率模块结构相比,新型功率模块结构的局部放电起始电压可提高63%。本文的研究结果可为降低封装DBC基板中的电场提供指导和潜在策略,有助于优化未来中压功率模块的绝缘设计。

English Abstract

This article studies the impacts of the bottom copper layer of direct-bond copper (DBC) substrates on the partial discharge (PD) performance of the power modules. Finite element simulation models of DBC samples with various layouts are developed, and their electric field distributions are compared and analyzed. The results show that by floating the bottom copper layer, applying half of the high voltage, or partially or completely removing the bottom copper layer, the maximum electric field concentrated at the triple point of DBC substrates can be significantly reduced. Multiple DBC samples are manufactured, and their PD performance is experimentally tested. The partial discharge inception voltage (PDIV) can be increased by more than 79% by completely removing the bottom copper layer. Experimental results show good agreement with the simulation analysis and verify the findings. A mimic power module employing the concept of completely removing the bottom-layer copper is made and tested for PD performance under IEC 60270 standard. Compared to the conventional power module structure, the PDIV of the new power module structure can be increased by 63%. The findings in this article can provide guidance and potential strategies to reduce the electric field in encapsulated DBC substrates, which will contribute to optimizing the insulation design of future medium voltage power modules.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于DBC基板底层铜层优化以提升局部放电性能的研究具有重要的战略价值。在光伏逆变器和储能变流器向中高压、大功率方向发展的趋势下,功率模块的绝缘可靠性已成为制约产品性能提升的关键瓶颈。

该研究通过有限元仿真与实验验证相结合,系统分析了底层铜层不同布局方案对电场分布的影响。研究发现,完全去除底层铜层可使局部放电起始电压(PDIV)提升79%,实际功率模块应用中也实现了63%的提升。这一技术突破对阳光电源具有多重价值:首先,在1500V光伏系统和中压储能变流器领域,更高的PDIV意味着更强的电压耐受能力和更低的绝缘失效风险,可直接提升产品在严苛环境下的长期可靠性;其次,优化的绝缘设计可为功率密度提升创造空间,支撑公司产品向更高集成度、更小体积方向演进。

从技术成熟度评估,该方案已完成从仿真到样品验证的完整链条,并符合IEC 60270标准,具备较高的工程化可行性。然而,完全去除底层铜层可能影响散热性能和机械强度,需要在热管理设计和结构可靠性方面进行系统性权衡。建议阳光电源可针对中压IGBT/SiC模块开展定制化DBC基板的联合开发,结合自身在功率电子封装领域的技术积累,将该方案与先进的热管理技术、新型封装材料相结合,形成差异化的高可靠性解决方案,为进军海上风电变流器、轨道交通牵引等新兴高压应用场景奠定技术基础。