優(yōu)化熱分布

　　下文著眼于三相400a、600v逆變器模塊中igbt和續(xù)流二極管的定位。在有基板模塊情況下，每個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)用了兩個(gè)200a的igbt和兩個(gè)200a的續(xù)流二極管，如圖2所示。因此，一個(gè)完整相包括四個(gè)igbt和四個(gè)續(xù)流二極管。用于無基板模塊的優(yōu)化排列是每個(gè)開關(guān)有四個(gè)100a的igbt和兩個(gè)200a的續(xù)流二極管（每相有八個(gè)igbt和四個(gè)續(xù)流二極管）。這意味著，無基板三相模塊的基區(qū)面積比有基板模塊的約大10%左右。

　　相比之下，帶有8個(gè)100aigbt和2個(gè)續(xù)流二極管的無基板skim模塊的布局為優(yōu)化熱分布和散熱采用了面積較大的dbc陶瓷基板。逆變器運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生導(dǎo)通和開關(guān)損耗，這意味著功率半導(dǎo)體成為一個(gè)本地?zé)嵩?。在三維有限元計(jì)算的幫助下，可以計(jì)算出任何給定運(yùn)行狀態(tài)下逆變器模塊和散熱器中的熱傳播，如圖3所示。例如，當(dāng)混合動(dòng)力或電動(dòng)車輛加速時(shí)，大部分功率損失是產(chǎn)生在igbt上的，而續(xù)流二極管承受較低的負(fù)載。

　　負(fù)載條件：電池電壓=350v、輸出電流=250a、輸出電壓=220v、輸出頻率=50hz、開關(guān)頻率=12khz，相位角cosf=0.85，冷卻介質(zhì)溫度=70℃。這就是為什么在熱成像圖中，igbt的位置呈現(xiàn)為一個(gè)強(qiáng)烈的熱源。在有基板模塊情況下，熱量集中在三相配置的中心。由于半導(dǎo)體緊密的定位和相間的短距離，igbt的溫度在這一點(diǎn)是最高的。雖然在此運(yùn)行狀態(tài)下，續(xù)流二極管只承受中等的負(fù)載，igbt導(dǎo)致模塊中心的續(xù)流二極管顯著升溫。相比之下，逆變器模塊邊緣的二極管溫度要低15℃。盡管有底板，逆變器模塊邊緣區(qū)域的功率半導(dǎo)體模塊的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于模塊中心的，最終導(dǎo)致三相的非均勻熱分布：中間相igbt的平均熱負(fù)載幾乎比邊上兩相的igbt的平均溫度高10℃。igbt溫度的最高值和最低值相差超過20℃。中間相限制了整個(gè)逆變器模塊的可用電功率。這會(huì)有兩個(gè)后果：一方面，不得不選擇冷卻條件和負(fù)載，這樣中心dbc基板的溫度不至于過高；另一方面，溫度傳導(dǎo)的損傷機(jī)理對(duì)中間相有較強(qiáng)的影響。這意味著為逆變器功率電路的設(shè)計(jì)工程師應(yīng)始終把中間相的溫度因素包括進(jìn)去。

　　在無基板skim模塊中，熱分布要均勻得多：這里，igbt的位置也呈現(xiàn)為一個(gè)強(qiáng)烈的熱源。然而，由于熱損耗分布在幾個(gè)位置上，dcb基板之間的距離更大，擁有更多的空間用于散熱。所產(chǎn)生的損耗可有效地消散，減少igbt和二極管之間的相互加熱。最佳散熱也確保在不同相上的均勻負(fù)載分布：功率逆變器三相間的igbt和二極管溫度是均勻的，所有三相的igbt平均溫度幾乎是相同的。igbt之間的最大溫差不超過10℃。負(fù)載分布均勻，使可用的制冷功率得到最佳利用，從而有利于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。除此之外，每個(gè)絕緣dbc陶瓷基板上的溫度傳感器允許每相單獨(dú)評(píng)估，提供了額外的對(duì)運(yùn)行溫度進(jìn)行控制的可能性。