摘要：提高车规级功率模块的功率密度对电动汽车的性能具有重要意义，而传统功率模块内部采用的二维布局杂散电感大，限制了开关速度与母线电压，影响功率密度的提高。为此，以EconoDUAL封装的IGBT功率模块为对象，使用叠层DBC的方法进行三维布局设计，开发出了1200V/1200A的IGBT功率模块；详细介绍了所提功率模块的布局结构，与传统二维布局方法相比，杂散电感下降了58%；同时，对功率模块进行电气性能测试，通过了母线电压800V下脉冲电流为1200A的双脉冲实验，证明了模块功率密度的提高。为了在提高功率密度的情况下不影响散热性能，功率模块底部使用了水冷PinFin散热器，并对其进行了散热仿真和结-水热阻的测试，结果表明，IGBT热阻为0.084K/W，二极管热阻为0.124K/W，与同封装下商用1200V/900A模块相比并无明显差异，证明了所提设计方法的正确性及有效性。
随着人们对清洁能源和可持续发展的重视，电动汽车作为一种环保且高效的交通工具正在迅速发展。功率模块是电动汽车动力系统的关键部件，关系到整车的性能和可靠性。EconoDUAL封装功率模块是英飞凌（Infineon）公司推出的面向中等功率的应用产品，具有出色的机械强度和高功率循环能力，被广泛应用于电机驱动和电动汽车，其工作母线电压多为600V。
目前，800V高压母线的应用实现了快速充电的优势，因此开发出基于800V母线高功率密度的功率模块成为了电力电子领域的一项关键挑战。为此，许多研究进行了模块布局设计上的优化，其中叠层封装布局对于提高功率密度和并联多个芯片是一种有效、可行的方法。与传统二维布局模块相比，叠层封装布局功率模块的寄生参数可以显著降低。在大多数叠层结构中，其基本思想是使用底部直接键合铜DBC（directbondingcopper）和顶部导电层来分别传导电流。这2个传导路径通常重叠，并且可以显著降低寄生参数，其中顶部导电层通常包括PCB、FPCB和DBC等。随着设计选项的增多，研究者们已经开始探索自动布局设计方法，并在功率模块设计中实现了关键的成本节约。
基于此，本文对EconoDUAL封装的IGBT功率模块进行设计，开发出母线电压800V下电流可达1200A的功率模块，旨在提高功率模块的功率密度。
1、功率模块布局设计
图1为EconoDUAL封装功率模块的电流发展，目前电流最大值为900A，
图2为FF900R12ME7_B11模块典型开关波形，可以看到其工作母线电压多为600V。
传统二维布局结构如图3所示，此布局方式杂散电感较大，约为15nH。并联了3颗通流能力为300A的芯片，该芯片尺寸较大，难以对更多芯片进行布局，且受DBC通流能力限制，电流难以提升。
叠层DBC布局可以利用互感相消的原理降低杂散电感，其侧面结构如图4所示，并且由于多使用了1层DBC，使得相同尺寸下的通流能力有所提高。以自动优化算法为指导进行叠层DBC布局优化设计，使用了6个通流能力为200A的IGBT和二极管，尺寸分别为9.7mm×11.1mm和5.6mm×11.1mm，布局结果如图5所示，其中半桥并联的6颗IGBT与6颗二极管被布局在DBC的两侧；底部DBC中，上面的芯片为上管，下面的芯片为下管，且上管的IGBT芯片与下桥的二极管在同一侧；底部DBC的端子为正极端子，而顶部DBC上方的2个端子为交流端子，顶部DBC下方的为负极端子，连接件将上管的发射极与下管的集电极相连。
DBC中间层为Al2O3，即此处无铜痕迹进行连接，而图例中的“孔”是指此处无顶部DBC。
按照图5的布局结果，最终得到IGBT功率模块的三维模型如图6所示。
将模型导入AnsysQ3D进行寄生电感抽取，与传统布局对比，在不考虑端子的情况下，内部布局杂感可由10.16nH下降至5.89nH。
2、电气性能测试
双脉冲实验可以测试功率模块的电气动态性能。
图7所示电路测量的是功率模块的下管，而功率模块的上管施加负压关断并利用其二极管进行续流，
实验中由加热台对功率模块进行加热，由功率模块内部NTC温度确定结温，实验参数见表1，本文所提IGBT功率模块实物与管脚示意如图8所示。
本文所提IGBT功率模块双脉冲测试波形如图9所示。可以看出，本文开发的功率模块能够在母线电压800V下，通过脉冲电流为1200A的高温双脉冲测试，具有良好的电气性能，也证明了该设计方法的有效性。
3、水冷散热仿真与测试
为了提高功率模块的热性能，在功率模块底部焊接了PinFin散热器进行水冷散热，较传统的水冷结构，PinFin散热器可以降低约40%的热阻，从而提高功率模块的功率密度和可靠性。使用计算流体力学CFD（computationalfluiddynamics）软件对强迫对流散热过程进行电-热-流耦合的多物理场仿真，电气参数需要输入损耗值。其中，IGBT损耗可表示为
式中：PT为IGBT损耗；PTcond为IGBT导通损耗；PTsw为IGBT开关损耗；VCEsat为饱和管压降；IC为IGBT集电极电流；RCE为IGBT导通电阻；Eon为IGBT开通损耗；Eoff为IGBT关断损耗；fsw为开关频率。
二极管损耗可表示为
式中：PD为二极管损耗；PDcond为二极管导通损耗；PDsw为二极管开关损耗；VF为二极管正向电压；IF为二极管正向电流；RF为二极管导通电阻；Erec为二极管反向恢复损耗。
仿真后的IGBT功率模块温度分布如图10所示，初始水流量为8L/min,出口边界条件设为静压，水流方向为由左至右。可以看出，本文开发的1200V/1200AIGBT功率模块工作的最高结温约为150℃。
在进行仿真实验的同时，对功率模块实物进行了热阻测试。
图11为IGBT热阻测试电路，在测试半桥门极输入正电压使IGBT导通，先通入小电流记录为VCE进行温度的标定，再闭合S1通入大电流进行加热，一段时间后断开S1测量出模块的降温曲线，最后进行数据处理与拟合。当测量二极管热阻时，需要将2个电流源反向，且在测试半桥门极输入负电压使IGBT关断。
热阻测试实验环境如图12所示，其中电流源提供加热电流与测量电流，门极电压控制被测模块的开通与关断，热阻检测仪用来获得VCE变化数据，循环水泵用来控制水温。热阻测试测量结果如图13所示，其中IGBT热阻为0.084K/W，二极管热阻为0.124K/W，可见本文所提功率模块与同封装下商用1200V/900A功率模块相比，热阻并无明显差异，热性能符合功率模块设计要求。
4、结论
本文对EconoDUAL封装的IGBT功率模块进行了优化布局设计，开发的模块使用叠层DBC三维布局方式并联6颗通流能力为200A的IGBT与二极管芯片，通过散热仿真实验与电阻测试实验可以得到以下结论。
（1）、本文所提功率模块能够在母线电压800V下，通过脉冲电流为1200A的高温双脉冲测试，具有良好的电气性能。
（2）、功率模块的热阻与同封装下商用1200V/900A模块相比并无明显差异，热性能符合功率模块设计要求。
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