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功率器件技术 SiC器件 IGBT 功率模块 ★ 5.0

大功率双面冷却模块中大面积SiC MOSFET的电热分析

Electrothermal Analysis of a Double-Side Cooling Power Module With Large-Area SiC MOSFETs

作者 Yi Jiang · Cancan Li · Liming Che · Yizhuo Dong · Yinjie Mao · Yongtai Lin
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2024年11月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件 IGBT 功率模块
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 大面积芯片 电热分析 双面冷却模块 电气性能
语言:

中文摘要

与传统的硅绝缘栅双极型晶体管(IGBT)相比,碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)的芯片面积通常较小。大面积(10×10 毫米)碳化硅 MOSFET 的性能有待研究。本文对大面积碳化硅 MOSFET 与常规尺寸(5×5 毫米)碳化硅 MOSFET 并联时的电热特性进行了分析。结果表明,与常规尺寸芯片相比,大面积芯片优化了封装参数,减轻了电流不平衡问题,并且在双面冷却(DSC)模块中具有更好的热性能。制作了采用大面积芯片的 SOT - 227 模块,并对该模块的电气性能进行了测试。结果显示,采用大面积芯片的模块具有更优的电气性能。为充分发挥大面积芯片的优势,本文提出了一种新型倒装芯片双面冷却模块。将所提出的模块与传统双面冷却模块在电气和热特性方面进行了对比分析。所提出模块的功率电路寄生电感为 5.36 纳亨,信号回路寄生电感为 4.93 纳亨,分别降低了 29.1% 和 13.7%。温度分布得到改善,所提出模块的热阻为 0.268 开尔文每瓦,降低了 12.0%。结果表明,所提出模块的电气和热性能均优于传统模块。

English Abstract

SiC MOSFETs typically have a small chip area compared to conventional Si IGBTs. The performance of large-area ( 10 10 mm) SiC MOSFETs needs to be investigated. In this article, the electrothermal analysis of the large-area SiC MOSFETs is presented compared to regular-sized ( 5 5 mm) SiC MOSFETs in paralleling. The result shows that the large-area chips optimize the packaging parameters, mitigate the current imbalance, and have better thermal performance in the double-side cooling (DSC) module compared to the regular-sized chips. A SOT-227 module with large-area chips is manufactured and the electrical performance of the module is tested. The result indicates the better electrical performance of modules using large-area chips. A novel flip-chip DSC module is proposed to take full advantage of the large-area chips. The proposed module is analyzed in terms of electrical and thermal characteristics compared to a conventional DSC module. The parasitic inductance of the proposed module is 5.36 nH for the power circuit and 4.93 nH for the signal loop, which is reduced by 29.1% and 13.7%, respectively. The temperature distribution is improved, and the thermal resistance of the proposed module is 0.268 K/W, which is reduced by 12.0%. The results show that the electrical and thermal performance of the proposed module is better than that of the conventional module.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务角度分析,这项关于大面积SiC MOSFET双面冷却功率模块的研究具有重要的战略价值。SiC功率器件是我们光伏逆变器和储能变流器的核心部件,直接影响系统的功率密度、效率和可靠性。

该研究提出的10×10mm大面积SiC MOSFET相比传统5×5mm芯片并联方案,在多个维度展现出显著优势。首先,大面积芯片优化了封装参数,有效缓解了并联器件间的电流不均衡问题,这对我们的大功率逆变器产品(如SG350HX等MW级机型)至关重要,可提升系统可靠性并降低过设计余量。其次,双面冷却结构配合大面积芯片实现了更优的热性能,热阻降低12%,这意味着在相同散热条件下可承载更高功率,或在相同功率下延长器件寿命,直接提升我们储能系统的全生命周期价值。

特别值得关注的是,研究提出的新型倒装芯片双面冷却模块将功率回路寄生电感降低29.1%至5.36nH,信号回路降低13.7%。更低的寄生电感意味着更快的开关速度、更低的开关损耗和EMI,这与我们追求高频化、高效率的产品路线高度契合,有助于进一步提升逆变器效率至99%以上。

然而,技术应用仍面临挑战:大面积芯片的制造良率、成本控制,以及倒装工艺的可靠性验证需要深入评估。建议我们与SiC芯片供应商和封装厂商建立联合开发机制,在下一代1500V储能变流器和组串逆变器平台上进行技术验证,抢占技术制高点。