摘要：
碳化硅MOSFET因其材料特性被广泛应用于新能源汽车的高压、高频和高功率密度场合。在考虑双面水冷散热过程，往往忽略芯片布局间距对于散热以及芯片温度均匀性的影响，未考虑芯片温度均匀性对于多芯片并联电流均匀性的影响。针对上述问题，设计一种双面水冷的封装结构,分析不同芯片布局间距对芯片温度均匀性的影响，分析不同结温及不同芯片布局对寄生参数及开关特性的影响，并针对不同芯片布局间距和不同液冷工况，采用大量仿真及响应面对比分析,验证了所提方法的有效性,为SiC功率模块封装对芯片温度均匀性及开关特性的影响提供技术方法指导和定量分析。
在新型电力电子器件领域，与传统的硅基器件相比，SiC MOSFET具有更高的临击穿场强、更好的热传导性能、更小的导通电阻、更高的电子饱利速度及更小的芯片面积.由于这些华特点被厂泛应用于新能源汽车的高压、高频和高功率密度场合。
对于双面散热功率模块的研究,提出了一种双面散热功率热阻建模与测试表征方法，但未提及芯片温度均匀性;提出了一种针对双面散热功率模块热力协同优化方法，但未考虑对模块开关特性的影响;提出了基于神经网络训练得到待优化尺寸变量与各性能指标之间的函数关系，并探讨了尺寸变量对寄生参数的影响，但未提及温度对于开关特性的影响，也未提及到芯片并联电流均匀性问题;对MOSFET温度特性进行了分析,阐述了本征载流子浓度、迁移率等参数受温度影响的机理，分析了功率器件结温的测量方法；提出了一种考虑变温度影响的SiC MOSFET建模和分析的等效电路模型;分析了大电流下SiC MOSFET模块的暂态温度特性;从芯片参数、功率回路参数和驱动回路参数这3个方面阐述了并联电流分配不均衡的影响因素；针对单独温度对SiC MOSFET的影响进行了详细的分析,并对比分析了温度对导通电阻RDs(on)阈值电压VGs(th)及跨导的影响。
综上文献对比分析可以看出，目前针对SiC MOSFET开关特性及电流均匀性的分析均为单一地针对温度场或寄生参数进行研究，缺乏对温度均匀性和多芯片电流均匀性的分析。因此，针对现有双面散热模块设计方法存在的问题，本文设计了一种双面水冷的封装结构,分析不同芯片布局间距对于热阻和芯片温度均匀性的影响，分析不同结温和不同芯片布局对寄生参数及开关特性的影响，旨在为后续在SiC功率模块特别在芯片并联上考虑温度均匀性提供相关思路;同时提供芯片布局对于芯片温度均匀性及开关特性影响的技术方法，旨在为后续功率模块高开关频率dv/dt和dI/dt带来的设备EMI考虑温度场的影响等问题奠定基础。
1、不同芯片布局及温度均匀性分析
1.1、双面散热SiC功率模块的封装结构
功率模块的各个组成部件中,最主要的组成部件是芯片。芯片是整个模块的核心，衬板则为模块提供散热和绝缘。本文设计的结构采用4颗Rohm第四代芯片进行封装，此结构栅极和源极分别两边布置，上下桥臂对称分布，能够有效提高电流并联均匀性;DC端采用叠层母排设计,有利于整体回路中的寄生电感;AC端母排长度较长,也将对寄生参数产生影响。将4颗芯片的间距作为设计仿真的变量,分析不同间距对于散热效果的影响。从散热结构看,4颗芯片之间的间距和排布较均匀，有利于后续每颗芯片的温度均匀性。图1为双面水冷布局结构,图2为典型双面散热全桥功率模块逆变砖爆炸示意，后文中温度场的计算均是基于此结构来开展相关分析。
1.2、芯片布局对于温度均匀性的影响
由于模块封装不同层的材料属性不同,根据模块的实际情况在进行热仿真时需要对建立的模型进行材料的指定和分配,模块封装纵向材料如图3所示。表1为热阻计算材料属性。散热CFD仿真采用的边界条件如表2所示。CFD仿真过程中，建立如图4所示的设计变量,以表3芯片间距为变量进行仿真分析,设置初始变量。
根据上述设定进行CFD流体仿真，全桥的芯片温度分布如图5所示,可以看出,尽管模块均采用对称布局，但整个全桥的温度场仍不均匀，特别是W相对比U相温度差别较大。
通过不同芯片布局变量计算分析芯片间距对于温度均匀性的影响，如图6所示，可以看出：芯片间距与芯片温度均匀性呈正相关性,芯片之间的间距越大,温度表现越均匀。以本设计为例,D、D分别达到10mm,温度均匀性趋于稳定。
半桥模块各颗芯片的热阻分布如图7所示。在半桥模块中芯片的热阻有所不同。其中，从纵向材料热阻看,纵向热阻基本一致,这也进一步说明芯片布局对于温度均匀性有较大的影响。虽然双面水冷散热结构主要是由上向下纵向带走热量,但在横向布局上仍对热阻有一定的影响。因此,在设计双面水冷散热模块时，不仅要考虑热阻的要求,还需要考虑芯片的温度均匀性，且芯片温度均匀性和芯片间距呈正相关性。
1.3、芯片布局结构对寄生参数的影响
采用不同芯片间距布局结构对于寄生参数的影响不同。其中,寄生电感对于SiC MOSFET开关特性尤为关键。电感是导体固有的杂散参数,通常由导体的尺寸、形状和材料决定。在功率模块中,通常使用金属键合线来进行芯片表面与DBC、芯片之间的连接，对于圆截面导线的寄生电感可采用近似计算,公式叫为
加回路路径的长度,从而影响寄生电感;间距D1、D3与Lds呈负相关，从回路分析可知间距的增加缩小了Lds的回路面积。
2、不同结温及寄生参数对于SiC MOSFET开关特性的影响
2.1、芯片结温对于SiC MOSFET开关特性的影响
2.1.1、SiC MOSFET开关特性仿真模型
为了测试SiC MOSFET模块开关特性,测试芯片结温和不同寄生参数对SiC MOSFET器件开关性能的影响,搭建了如图9所示的双脉冲仿真测试电路。
在实际双脉冲测试过程中，通过2种方式分别控制结温,1种是针对低结温模式,另1种是针对高结温模式。低结温模式通过控制双面水冷模块的水冷器冷却液温度和流量来控制芯片的结温，在实际双脉冲测试过程中，模块连接水箱,并通过水箱的调节来控制冷却液温度和流量大小，从而控制芯片结温；而高结温模式，需要制作工装和加热台来加热水冷板,从而控制芯片的高结温,如图10所示。
2.1.2、芯片结温对于SiC MOSFET开关特性的影响
芯片结温会影响SiC MOSFET的开关特性2,而在双面水冷封装过程中温度不均匀性也将影响电流均匀性,特别是在多芯片并联的情况下。下面通过仿真试验进一步分析温度对SiC MOSFET开关特性的影响,如图11所示,可以看出：温度对于漏极电流Id有较大影响,开通过程中,Id变化率dId/dt随温度的增加而增大；在关断过程中，与导通正好相反,随着温度升高,dId/dt逐渐减小。此外,还可以看到，温度对于漏源极电压的影响较明显，随着温度升高,开通过程中Vds曲线向左偏移,而关断过程中Vds曲线向右偏移。
2.2、模块寄生参数对于SiC MOSFET开关特性的影响
2.2.1、驱动电阻对SiC MOSFET开关特性的影响
栅极驱动电阻通常是影响SiC MOSFET开关特性的关键因素，会极大影响SiC MOSFET开关速度。本文通过仿真进一步分析相关影响,如图12所示，可以看出：当Rg较小时，由电流Id和漏源极电压Vds可以看出SiC MOSFET开通和关断速度明显提升；当Rg较小时,由栅极电压Vgs可以看出模块开关速度上升后，也带来了栅极电压Vgs的振荡加剧。因此，在考虑模块提高开关速度的同时也要考虑模块的可靠性，但Vgs振荡可能带来的问题在实际工程中需根据实际情况选择合适的驱动电阻值。
2.2.2、寄生电感对SiC MOSFET开关特性的影响
在高速的开关过程中,SiC MOSFET也会由于回路中的寄生电感而引起开关波形的振荡，从而引起整个电路中振铃现象的产生，造成整个功率设备EMI恶化和运行故障的产生。因此研究SiC MOSFET回路寄生电感，有助于优化寄生电感带来的波形振荡和电路振铃问题，从而提升SiC MOSFET实际工作的可靠性和开关速率。
图13为根据不同双面水冷布局结构抽取寄生电感的SiC MOSFET开关波形,其中图13(a)和(b)分别为LTspice的仿真波形,可以看出,虽然栅极寄生电感Lgs均较大,且由电流Id和漏源极电压Vds可以看出影响并不大,尤其对Vds基本无较大变化，但是由栅极电压Vgs可以看出还是有较大的振荡。其中,Lgs与SiC MOSFET输人电容Ciss发生了谐振，是造成栅极电压Vgs振荡的主要原因。前面提到的驱动电阻可以在一定程度消耗这类谐振能量,而达到抑制振荡的目的。在开关回路中,源极寄生电感Lss对于开通和关断过程均有反馈作用，由Id和Vds来看，在一定程度上Lss抑制了Id和Vds的振荡,未使Id和Vds波形恶化,但Id的波形在时间上出现了延时,且Lss越大,Id开关波形延时越严重,这可能延缓SiC MOSFET的开关反应时间。Lss对于开关回路波形有一定的缓冲作用，但是也有延时副作用。漏极寄生电感对于SiC MOSFET开关特性影响较大，也是因为漏极寄生电感基本在整个功率回路中对栅极电压Vgs、漏源极电压Vds、电流Id造成了较大的振荡。此外，Lss越大，振荡越大，Lds在整个功率回路中对于Vgs来说,功率回路的振荡会耦合到SiC MOSFET米勒电容上，引起栅极回路的振荡，造成栅极电压Vgs出现剧烈波动。
2.3、结温及模块寄生参数对于SiC MOSFET开关特性响应面分析
2.4、结温对于SiC MOSFET开关特性影响机理分析
本节具体分析结温T对于开关特性的影响机理。温度的变化直接影响载流子浓度的变化及沟道电子迁移率的变化。随着温度的变化，载流子浓度会逐渐增大，从而会引起MOSFET阈值电压变化。阈值电压为
3、结论
本文设计了一种双面散热封装结构,通过仿真构建了双面散热模块芯片间距与温度均匀性、寄生参数的关系，并搭建双脉冲仿真模型，详细分析了温度均匀性、寄生参数对SiC MOSFET开关特性的影响，同时利用响应面方法来分析影响di/dt的主要因素和次要因素,得到以下结论。
综上,本文虽然针对双面散热SiC功率模块温度均匀性和开关特性进行了仿真分析和详细的评估，但仍然存在一些不足，后续需要增加更多试验，挖掘数据中的规律，以更好地验证本文研究方法的有效性和普适性，为未来更多封装类型提供有益参考。
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