碳化硅(SiC)功率器件在电动汽车牵引逆变器应用中需求旺盛。其更低的损耗和更高的功率密度可提升系统性能，例如延长续航里程、缩小电池体积，并简化冷却系统设计。然而，更高的功率密度也使得功率模块的热管理成为关键挑战。
本文总结了上海海事大学张艳教授近期开展的研究工作，该研究构建了碳化硅功率模块的热阻抗模型。结合器件损耗估算，该模型可用于计算实际工况下的瞬态与稳态结温。
结温估算的重要性
相较于硅基IGBT器件，SiC MOSFET在部分负载工况下效率更高——而这正是电动汽车主要的驾驶场景。SiC器件优异的导通与开关品质因数使其在相同功率下可采用更小尺寸的芯片。
尽管SiC材料的热导率优于硅，有利于简化散热设计，但在电动汽车牵引逆变器的实际运行条件下，高瞬态与稳态结温仍可能带来可靠性风险。
除少数例外，SiC MOSFET的通态电阻RDS(on)对温度的依赖性通常强于硅基IGBT的正向压降。此外，SiC的杨氏模量(表征材料刚度)约为硅的3倍。这意味着在功率循环过程中，模块经历反复温度变化时，封装结构与界面将承受更大的机械应力。
SiC具有更高的击穿电场强度，因此在相同电压等级下可使用更薄的漂移区。虽然这有助于降低导通损耗，但也减小了芯片的热容，导致温度上升速度更快。因此，准确估算器件结温，以设置足够的安全裕量(guard band)，防止热失效，显得尤为重要。
汽车用SiC功率模块的结温估算方法可分为四类：
- 接触式测量(如使用热敏电阻)
- 光学测量(如红外热像仪)
- 基于温度敏感电参数(TSEP)的间接测量，如RDS(on)
- 基于热阻抗模型，并结合应用中功率转换器的损耗数据
热阻抗模型的建立
本研究针对驱动三相永磁同步电机的SiC功率模块进行了仿真。每相采用半桥结构，其中八个SiC MOSFET并联以提升电流能力。
在母线电压800V、相电流640A、开关频率8kHz、冷却液温度45℃的工况下，估算了导通与开关损耗。正向与反向导通损耗分别取决于RDS(on)和VDS(rev)，而这两者均受偏置条件与结温影响。开关损耗包含MOSFET的开通与关断损耗，体二极管的反向恢复损耗较小，予以忽略。
如图1所示，研究建立了四阶福斯特(Foster)模型，用于拟合从SiC MOSFET芯片到模块内部负温度系数热敏电阻(NTC)之间的热阻抗路径。图中，Rthi与Cthi(i=1～4)分别为各阶的热阻与热容，Tj为结温，Ploss为净功率损耗，Tm为测试点温度。
图1：SiC 功率模块的四阶热阻抗模型拓扑。(来源：张艳，2024)
福斯特模型的输出为热阻抗(Zth)。基于图2所示参数，研究利用包含直接键合铜(DBC)、焊料、陶瓷衬底与底板的功率模块结构，构建了三维CAD模型。采用Icepak软件中的高级网格划分工具进行网格生成。模型中的各层结构参数来自对实际功率模块样品的拆解分析。
图2：功率模块组件的热参数。(来源：张艳，2024)
仿真获得的瞬态热阻抗曲线如图3所示。随后进行参数提取，并通过拟合四阶RC网络参数，建立热阻抗模型。芯片的热阻抗相对于其损耗保持相对恒定，因此可以使用热阻的平均值。
图3：功率模块瞬态热阻抗曲线模型。(来源：张艳，2024)
结合SVPWM调制下三相逆变器的损耗模型与上述热阻抗模型，可计算各桥臂的结温。由此得到的瞬时最大结温变化如图4所示。
图4：最大结温变化曲线。(来源：张艳，2024)
当芯片产热与外部散热达到热平衡后，开关周期内的最高结温趋于稳定。为验证模型准确性，研究搭建了三相电机测试平台，并使用红外热像仪测量实际最高温度。结果显示，模型预测值与实测值偏差约5℃，该误差可通过校准消除。
结论
为SiC逆变器功率模块建立经过验证的热阻抗模型，使设计人员能够在实际工况下评估其热性能。基于该模型的仿真结果，可优化模块设计。该方法还可与实时参数监测相结合，进一步纳入器件老化效应的影响，实现全生命周期的热可靠性管理。
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