HPD Technicon: силовые модули для гибридного и электрического транспорта

В настоящее время в автомобильной индустрии работает около 10% от общего количества выпускаемых в мире силовых модулей, и этот сектор постоянно растет. Современная силовая электроника создает необычайно широкие возможности для развития различных видов электротранспорта: электроприводы нужны в электро- и гибридомобилях, электрических грузовиках и автобусах, сельскохозяйственных и строительных машинах и т. п.

Поскольку конкретные требования к тяговому инвертору в высокой степени зависят от области применения, усилия производителей силовой электроники направлены в первую очередь на повышение надежности компонентов, внедрение новых полупроводниковых технологий и методов корпусирования.

Рис. 1. Technicon HPD — трехфазный инвертор для электрического и гибридного транспорта

Самым распространенным способом соединения силовых чипов с изолирующей DBC-подложкой, а также подложки с базовой платой является пайка, однако именно она рассматривается как основная причина отказов транспортных модулей, работающих в условиях циклического изменения нагрузки. Развитие электрического транспорта потребовало поиска новых технологий соединения, самой перспективной из которых считается низкотемпературное спекание.

Проблема традиционных конструкций: паяные соединения и термопаста

Изменения температуры окружающей среды создают так называемые пассивные термоциклы, но больше всего на ресурс полупроводниковых приборов воздействуют активные термоциклы, возникающие при периодическом изменении нагрузки. Это приводит к кратковременным (5–20 с) колебаниям температуры кристаллов с градиентом ΔT 40–60 °C. Из-за разницы КТР (коэффициент теплового расширения) сопрягающихся материалов каждый такой цикл создает термомеханический стресс, что в конечном итоге ведет к накоплению усталости и постепенному разрушению жестких паяных и сварных соединений силового модуля [1].

Эту проблему во многом решает замена пайки на низкотемпературное спекание серебряной пасты, создающее гораздо более надежную и стабильную связь [2]. Температура плавления серебра в 6 раз выше, чем у любого из используемых в промышленности припоев, кроме того, этот материал обладает лучшей теплопроводностью и более высокой механической гибкостью. Технология двухстороннего спекания используется для установки карбидокремниевых чипов (SiC MOSFET + SiC Шоттки) на изолирующую подложку в модулях HPD SiC, рассчитанных на особо жесткие условия применения.

Базовая плата HPD выполняет функцию радиатора с прямым охлаждением, что позволяет решить еще одну важную проблему — избавиться от слоя термопасты, необходимой при монтаже стандартных приборов на теплосток. Отметим, что любой теплопроводящий материал TIM (Thermal Interface Material) вносит значительный вклад в общее значение теплового сопротивления силового модуля. Например, у компонентов традиционной конструкции номинальное значение толщины слоя пасты составляет 75–100 мкм, это необходимо для компенсации биметаллического эффекта, а также неоднородности и шероховатости поверхности радиатора. При жидкостном охлаждении, характерном для транспортного привода, вклад слоя TIM в общее значение теплового сопротивления R_th может превышать 50%, что видно из таблицы 1.

Следующим шагом на пути повышения стойкости к термоциклированию является замена традиционного оксида алюминия (Al₂O₃) на композитный материал — нитрид кремния (Si₃N₄), использованный в модулях HPD Technicon для изготовления изолирующей DBC-подложки. Этот композит имеет гораздо лучшее согласование по КТР с медной базовой платой. В результате удалось существенно снизить уровень термомеханических стрессов и повысить надежность компонентов, что подтверждается в ходе ускоренных испытаний на воздействие тепловых ударов с градиентом 100 °C при предельной температуре чипов +175 °C.

На рис. 2 показан типовой профиль работы тягового привода электромобиля мощностью 50 кВт. В процессе разгона энергия из батареи направляется в электрический мотор через инвертор, при этом температура чипов IGBT повышается примерно до +95 °С по мере роста тока. На этапе движения с постоянной скоростью от инвертора требуется гораздо меньшая мощность, и температура полупроводниковых чипов падает. В фазе торможения целью системы управления приводом является возвращение максимально возможного количества энергии обратно в батарею. При этом потери транзисторов и диодов становятся примерно одинаковыми, рассеяние тепла достигает своего максимума и перегрев кристаллов IGBT достигает почти +110 °С.

Рис. 2. Изменение температуры IGBT при работе привода гибридного транспортного средства

Максимальный относительный перегрев кристаллов IGBT в данном случае составляет ΔT = 40 °C, и важно, чтобы при таком градиенте силовой модуль сохранял работоспособность в течение всего срока службы. Соответственно, усталостные процессы, накапливающиеся в конструктивных слоях в результате воздействия термомеханических стрессов, не должны приводить к изменениям электрических и тепловых характеристик прибора. Как видно из графика зависимости количества термоциклов от градиента температуры (рис. 3), полученного в ходе ускоренных испытаний, при ΔT = 40 °C модуль HPD способен выдержать около 6 млн циклов в течение срока службы.

Рис. 3. Зависимость количества термоциклов до отказа силового модуля Nf от градиента термоцикла ΔT для модуля HPD

Для обеспечения высокой надежности очень важна равномерность распределения тепла по подложке силового ключа, чтобы исключить дополнительный нагрев чипов из-за тепловой связи. На рисунке видно, что при увеличении градиента температуры всего на 10 °C (ΔT = 50 °C) количество циклов до отказа сокращается в 3 раза, то есть до 2 млн. Если ΔT возрастает на 20 °C, величина N_f  уменьшается уже в 6 раз. Таким образом, проектирование транспортных модулей должно производиться с учетом гомогенности источников потерь и минимизации взаимной тепловой связи. Конструкция приборов HPD полностью соответствует описанным требованиям.

Технология прямого охлаждения pin—fin

Как правило, в приводах электромобилей используется жидкостное охлаждение, позволяющее снизить градиент температуры чипов и ее пиковое значение, увеличить плотность мощности и, соответственно, повысить ресурс изделия. На тепловое сопротивление жидкостных радиаторов и эффективность охлаждения влияют следующие факторы:

• объемная скорость потока жидкости (функция перепада давления);
• наличие турбулентности в каналах охлаждения;
• эффективная площадь охлаждения;
• теплоемкость охлаждающей жидкости, а также ее плотность и вязкость (например, при изменении соотношения вода/гликоль с 50:50% до 90:10% тепловое сопротивление снижается на 35–45%);
• тепловые свойства материала радиатора (например, тепловое сопротивление медных радиаторов примерно на 20% ниже, чем алюминиевых).

Увеличение эффективной площади контакта радиатора и жидкости улучшает теплопередачу. Игольчатый теплоотвод, использованный в модулях HPD, отличается большей эффективностью не только за счет расширения зоны контакта, но и благодаря образованию турбулентных потоков вокруг ребер pin-fin (рис. 4).

Рис. 4. Использование игольчатой поверхности для увеличения площади теплопередачи:
а) поперечное сечение pin-fin-радиатора;
б) охлаждающая поверхность радиатора

Равномерное распределение источников тепла (силовых ключей) по поверхности при жидкостном охлаждении играет еще большую роль, чем при воздушном. Благодаря высокому коэффициенту теплопередачи (порядка 1000 Вт/м²•К) наиболее эффективный отвод тепла происходит в тех областях монтажной поверхности, где установлены полупроводниковые компоненты. Использование меди в качестве материала радиатора позволяет снизить объемное сопротивление, улучшить перекрестную тепловую связь и, следовательно, увеличить эффективную площадь охлаждения.

Technicon HPD: номенклатура и основные параметры

Компактные трехфазные модули в корпусе C6 (HPD) предназначены для использования в инверторах гибридных и электрических транспортных средств. В силовых ключах серии HPD применяется два типа кристаллов: новейшие IGBT 7-го поколения со структурой MPT (Micro-Pattern Trench FS), оптимизированной для применения в электроприводах. В этой технологии сочетаются высокая плотность тока, устойчивость к короткому замыканию и повышенное напряжение блокировки, что обеспечивает надежную работу инвертора в суровых условиях окружающей среды.

Также выпускается версия приборов с карбидокремниевыми чипами (SiC MOSFET + SiC Шоттки), предназначенных для работы на повышенных частотах. Основные характеристики модулей HPD приведены в таблице 2.

Все компоненты серии HPD имеют базовую плату, выполняющую функцию радиатора с прямым охлаждением, реализуемого за счет непосредственного контакта ребер pin-fin с охлаждающей жидкостью (рис. 5). Для повышения стойкости к термоциклированию изолирующая DBC-подложка сделана из композитного материала (Si₃N₄).

Рис. 5. Внешний вид и электрическая схема модулей HPD:
а) поперечное сечение pin-fin-радиатора;
б) охлаждающая поверхность радиатора

Заключение

Основной причиной отказов классических полупроводниковых приборов с паяным соединением кристаллов, изолирующей подложкой и базовой платой являются термомеханические стрессы, возникающие вследствие разницы КТР сопрягающихся материалов. Один из способов решения этой проблемы — использование новейших технологий кремниевых и карбидокремниевых чипов с низкими статическими и динамическими потерями. При прочих равных условиях это приводит к снижению потерь, то есть уменьшению температурных градиентов и общего перегрева чипов, соответственно, меньше становятся и тепловые удары, разрушающие конструкцию модуля.

Для повышения надежности силовых модулей, работающих в условиях высоких циклических нагрузок, свойственных транспортным приводам, производители переходят на более стойкие и эластичные припои, а также внедряют новые технологии соединений, например низкотемпературное спекание. Существенное улучшение тепловых характеристик достигается при использовании базовой платы, выполняющей функции радиатора с прямым охлаждением pin-fin. Это устраняет необходимость применения теплопроводящей пасты и заметно снижает общее значение теплового сопротивления.

Оптимизация топологии изолирующей подложки обеспечивает равномерное распределение тепла между генерирующими потери силовыми полупроводниками. При этом все чипы трехфазного инвертора находятся в одинаковых тепловых режимах, что исключает опасность возникновения зон локального перегрева. Все описанные инновации реализованы в транспортных модулях HPD, выпускаемых компанией Technicon.