电源功率模组: 完整的设计和验证流程解决四个维度的设计挑战

 

概述

电动汽车、新能源、光伏、风电等领域广泛使用高功率开关电源功率模组。IGBT和MOSFET是模组中常用器件。本文讨论这些技术，以及为实现高达1700伏特电压、1600安培电流、温度稳定和低电磁辐射的复杂指标带来的设计挑战。本文也总结今天的设计方法和优缺点。最后，给出了完整的设计和验证流程。

介绍

电动汽车、新能源、光伏、风电等产品广泛使用高功率开关电路，简称电源功率模组。电源功率模组通常不是单一器件的封装，而是多片IGBT，或MOSFET，以及二极管的电路组合。

对这种多器件的模组，如果设计正确，高电压、大电流、稳定的温度和低电磁辐射是可以实现的。这四个维度的指标在模组本身密度较大的情况成为设计面临的挑战。单一的设计工程师不可能预测某个设计变化会带来的四个方面的影响。例如，简单的器件布局变化就会影响所有的指标，流向所有器件的电流不再是均匀分布的（直流响应），模组中不同器件的开关行为变化（AC响应），这两种电气领域的变化必然引起热和电磁兼容性的变化。

图1.电源功率模组: 四个维度的设计挑战。

模组中的所有器件应该实现静态损耗和开关损耗的均衡，以及同样的温度，同时较低的EMC辐射来确保高可靠性和避免现场失效。可以想象，即使在快速断路器（1毫秒反应时间）工作情况下，一个失效（比如短路）也会释放2000焦耳的能量。这么大能量足以把70公斤的成年男人抛到空中3米高度，会导致电动汽车的整体失效。

今天的电源功率模组设计流程依赖多次样机测试。一般需要至少十次物理样机才能得到满足以上指标的工作电源功率模组。这不仅仅是成本的问题，时间上也花费很多。同时，设计师需要考虑不同技术路径。从器件工艺，比如硅、碳化硅、氮化镓，到制造工艺，像键合线、无线模组，到其他新的互连技术。

本文通过一个电源功率模组的设计给出技术概况，以及典型的技术挑战。提出一种设计和验证方法，来减少样机次数，缩短产品上市时间，提高电源功率模组的质量和可靠性，以提高差异化的竞争能力。

器件工艺介绍

高压应用的基础是宽带隙半导体。高压器件在材料特性上，SiC-MOSFET 和GaN HEMT 与Si IGBT 相比，具有较高的击穿电场，较高的热传导率，在理论上，SiC和GaN器件应该更有吸引力。可是为什么Si IGBT仍然在主导市场呢？

A. 硅

市场上广泛采用纯硅基器件。由于大量生产、众所周知的生产流程和电特性，IGBT取代了结型晶体管、闸流晶体管和Si MOSFET。一个原因是，即使在上世纪七十年代也需要承载超过1000V电压并控制超大电流的器件。而结型晶体管和闸流晶体管只能在600V以下工作。而且，硅IGBT成熟的结构和制作流程，在12英寸晶圆上大大降低了成本，并改善了电特性和性能。

图 2 给出典型的Si IGBT横截面。这是一个绝缘栅双极性晶体管，触点称为集电极、发射极和栅极。

图2.硅IGBT截面图。

集电极连接到硅基板上，触点区域P掺杂。发射极触点在N掺杂区域（黄色）和P基区域（红色）之间。栅极与MOS栅极类似。硅 IGBT的基本材料是硅基板。这种材料的带隙和热传导特性见表1。从图1的横截面可以看出输入电容的存在，电容是开关频率的重要参数。

接下的两个部分是硅IGBT和SiC MOSFET及GaN HEMT的比较。

B. 碳化硅

碳化硅是50%硅和50%碳合成的IV-IV族半导体。这是硅和碳的200种可能组合中唯一稳定的混合。这种混合物在高压应用中有不同的多型体。4H-SiC是最合适的多型体，其特性参照表2，与硅IGBT相比，具有三倍的带隙，更好的热传导性能，更低的输入电容，所以有更高的开关频率。

即使碳化硅MOSFET 到处都可以得到，但在电动汽车市场仅占大约10%的份额。主要原因是绝大多数的碳化硅MOSFET仍然出自4英寸晶圆，价格比硅IGBT更高。同时。制造过程中有20%的晶格常数失配，8%的热扩散系数失配，碳化硅层包含大量的结晶缺陷。所有这些导致与硅工艺相比的低良率和高价格。

图3.SIC MOSFET横截图。

图3是基于碳化硅的典型MOSFET横截图。触点像硅 MOSFET一样，称为栅极、漏极和源极。该结构与硅IGBT相比有另一个优点。当电源功率模块驱动感性负载，如马达，硅IGBT需要并联续流二极管，而碳化硅MOSFET就不需要。在过去几年，碳化硅MOSFET的本体二极管得到增强，其反向电流比快速续流二极管的电流小。

四颗IGBT和四个续流二极管构成的半桥电源功率模块，使用碳化硅技术，就只需要四颗碳化硅MOSFET即可。易于平衡电路的DC行为、AC行为、器件温度和较低的EMC辐射。更小的尺寸，更好的热传导性能利于系统集成和降低电磁辐射。

C. 氮化镓

氮化镓（GaN）也是电源电路的重要材料，其材料特性完美匹配超高频电路的需要，可以实现大电流密度和大器件尺寸，但是目前，根据S. Agarwal 在“Status of the Power Module Packaging Industry 2021”一文内容，氮化镓器件的使用不超过1%。对于氮化镓器件，一般不用IGBT或MOSFET命名，而是称为高电子迁移率晶体管，即HEMT。

图4.GaN HEMT 横截图。

图4 是GaN HEMT的横截面示意图。这种器件使用多种材料，构成混合结构。该结构类型比硅和碳化硅有一定的优势。比如，氮化镓器件有更好的输出功率与频率比。在表3中，可以看到更高的开关频率。混合结构也有缺点，层间很小的裂纹也会降低热阻，导致可靠性问题。

氮化镓器件没有在电动汽车的电源电路中广泛使用另一个原因是氮化镓器件是典型的耗尽型器件。在栅极电压为0时，就导通，对电源电路的控制电路来说是不适用的。这只是阻碍氮化镓器件在电力市场应用的两个例子。 

电源功率模块设计师的挑战是在给定产品需求的基础上，选择最合适的工艺和技术，如电特性、热特性、成本和尺寸。因而，对器件和工艺支持方便交换的设计流程才是最需要的。

基板技术概述

基板在电和热性能上也起着重要作用。本文主要讨论两种材料：Al2O3 和Si3N4。目前最常用的是Al2O3陶瓷基板，原因是Al2O3 陶瓷基板技术成熟，且相对价格低廉。由于高电源密度的需要提高热传导路径，可以预见未来一年，Si3N4 会更多采用。电源功率模组的设计不仅是绘制电路图和连接几颗芯片那么简单，也需要了解更多的工艺知识。图5.PI2000 power module example Siemens EDA.。图 5 给出了一个典型的基于硅IGNT的电源功率模组设计。单层基板置于密封壳体内，顶层是铜线、键合线和裸芯片器件。这是在最新的设计工具，如西门子Xpedition Layout上实现的典型的电源功率模组，同时在设计流程中也考虑了基板工艺参数影响。基板参数见表4.

表4中的数值可以简化基板材料的决策。Si3N4有更优的特性，但前面提到的成本问题也是重要的考虑因素。另外，使用薄层Al2O3陶瓷可以补偿很多特性参数，比如热传导性。同时，设计师面临选择，首先选择哪种器件和器件工艺最适合产品需要，然后才是挑选合适的基板工艺。目前，电源功率模组的设计过程中并不经常使用仿真工具，这是需要多次的物理样机制作的重要原因。设计师选择硅或碳化硅器件，Al2O3 和Si3N4基板，这就有四种可能性，还没有考虑布局、布线、机械结构等等。仿真器也可以称为“答案生成器”，产品需求和给定的工艺形成问题，仿真器——HyperLynx Advanced Solver或者Simcenter FloEFD会给出答案。这个答案帮助设计决策，而不是制作物理样机。

分布电感

电源功率模组中的分布电感对开关特性有极大的影响，包括:• 开关速度• 开关损耗

• 电压过冲

文章“A new method to extract stray induc- tance in IGBTs’ dynamic testing platform”10显示，电源功率模组的分布电感测量是复杂而重要的工作。而取代物理样机测量

分布电感，就是使用仿真工具。在进一步讨论之前，有必要说明什么是分布电感。分布电感是电流路径里来自器件、连线、覆铜平面和铜线的不需要的电感元素。

图6所示的电源功率模组，分布电感的电流路径可以定义为所有IGBT器件的路径的叠加。

图 6.PI2000电源功率模组的原理图。

图7 是一个分布电感仿真的例子。第一种情况（红色波形）是1nH分布电感，第二种情况（绿色波形）是10nH，第三种情况（蓝色波形）是100nH。

图 7.PI2000 IGBT 通断周期的电流和电压。

计算分布电感的公式包括过冲电压和电流摆率。在环路电阻可以忽略的情况下，其公式为：

测量有两种方法。第一种是测量IGBT或晶体管从通到断时的电压过冲和电流摆率。续流二极管在大正向电流的情况下，压降可以忽略。

第二种方法是使用导通波形。此时，仍然使用电流摆率，不再使用电压过冲，而是观察到的发射极或源极的电压平台。仿真软件与物理样机测试相比有巨大优势，测试设备的寄生参数必须在得到分布电感的过程中被去除，才能得到分布电感的真实数值。分布电感的目标值不能超过2nH, 在硅IGBT设计中很难达到。因而在没有仿真的情况下，需要制作多种样机来比较测试，或者降低开关频率。HyperLynx Advanced Solver Fast 3D 的准静态求解器能够在几分钟之内计算分布电感的值。在不同的器件布局、铜走线和键合线的位置等情况下，快速优化设计使得分布电感的值小于2 nH。同时减少了物理样机的制作和测量，降低了成本，也有益环保。

电流密度

铜线和键合线的电流密度对电源功率模组非常重要。基于麦斯维尔方程，电流密度定义为：单位时间流过单位面积的电荷总量。因此电流密度是有方向的矢量。在图8基于PI2000的例子中，电流密度矢量用长度来表示，颜色是电流密度值的幅度。

图 8.在0 Hz时键合线上的电流密度。

电流密度是减少焦耳热和避免不必要的材料热传导的重要指标。目前，业界采用的都是复杂的测量方法，比如，基于法拉第效应、磁共振或单一断面测量等方法。这些测量对于得到简单答案来说太过复杂了,比如：• 需要多少键合线?• 流过键合线的电流是否均匀?• 需要哪种导电材料?• 电流密度的热点与器件相关吗？不同布局会怎样？

• 不同负载情况下的电流密度?

没有仿真软件, 像西门子的Fullwave Solver HPC, 不可能得到整个电源功率模组的电流分布。而且，在考虑不同频率，如0Hz、10kHz、100kHz、1MHz等条件时，情况变得更为复杂。趋肤效应和电流位移在正反向供电时起到重要作用。如图9所示。

图 9.在10 MHz时键合线上的电流密度。

图 9显示与图8同样的电流激励规模下的情况。电流密度与频率和布局高度相关。在这个频率下，可以看到散热器表面和元件接触点的 均衡电流。不做全面的仿真，就没有这些发现。

冷却

电源功率模组有很宽的功率范围，从几瓦的小器件，几千瓦的高压器件，到兆瓦的高功率器件。即使冷却效率到99%，热传递仍是非常显著的。以下给出具体的例子。中性尺寸的电源功率模组，输出功率是100KW，冷却效率是99.9%，只有0.1%的电能转化成热能，仍然有100W。这个功率范围的电源功率模组，比如Infineon FS650R08A4P2, 在不考虑连接器和总线的情况下，只有大约100 mm x 24 mm的表面积。

热传递方式有三种：辐射、对流和传导。电源功率模组与其他系统高度集成，因此只需考虑热传导。目前，主要采用基于图10的热阻线性热传导模型。市面上和数据手册中，有两种方式描述电源功率模组的热行为：

1) 机壳

2) 散热片

带机壳的电源功率模组，只描述从器件，硅、碳化硅或氮化镓到机壳表面的热阻路径。

图 10.PCB的线性热模型。

这种描述的优势在于，静态和动态热传递都很精确。在静态热传递过程中，热电偶就足够了，对于动态情况，热容量太大了，影响结果的精度。其他技术，如热成像，在测量动态热传递情况时更为准确。这种方式的优点正是第二种方式的缺点。

散热片类型电源功率模组可以用静态描述，但很难用动态描述。对测量，必须在散热片上打孔，才能进行基于热电偶方式的测量。在这种情况下，仿真工具，Simcenter FloEFD, 可以帮助回答以下基本问题：• 器件温度是否均匀?• 器件到散热片或机壳的热阻值是多少?• 什么是最佳的热接触材料?• 我如何优化器件布局来改善热行为?• 应该使用什么材料?

• 散热片的尺寸是多少?

图11显示没有散热片的PI2000设计的仿真结果。不需要物理样机和热成像，就可以容易地看出器件布局对温度的影响。

图 11.FloEFD中的PI2000电源功率模组。

温度和热通量图帮助设计师理解热传递的机制。热阻的仿真也是简单到一键完成，只需给器件设置为1W的热源，并设置机壳底部为常数温度即可。仿真得到的温度与环境不同，是因为结壳热阻的存在。

同样，带有散热机制的模型也能仿真。图12显示了水冷模式下PI2000电源功率模组。基于仿真的设计实现方法让设计师优化电源功率模组性能，并保证设备的长期可靠性。

图 12.FloEFD仿真水冷下的PI2000电源功率模组。

先进的设计流程

电源功率模组的设计极具挑战性，设计师需要选择最好的器件工艺、基板材料、器件布局、铜线和键合线位置等等，以实现电子、EMC和热等领域的全部产品目标。

当前的设计方法基于实验，出现了问题不能直接指出设计的修改意见，也无法跟踪记录，以保证新产品的需要。

而且，在目前典型的电源功率模组设计流程中，设计任务，如原理图设计、PCB设计，和仿真不是紧密关联的，甚至不用仿真。这就产生很多问题，比如：反复的设计更改。

这种易错工作流程，多数是由不同软件厂商的复杂工具组成的，数据的导入和导出，使得数据的完整性和一致性很难保证。流程的不连续、大量手工操作、仿真工具很少使用，都带来研发成本的提高。

由于所有产品需求的验证都需要物理样机，在多领域设计挑战和互相折衷的情况下，设计结果就变得不可预测，产品的交付常常延期。

基于以上原因，需要一种高度集成的设计流程，如图13所示。

图 13.Siemens EDA 电源功率模组设计和验证流程。

图 14.Xpedition Designer的原理图绘制。
 

在上面的流程中, 原理图的绘制是在Xpedition Designer 和Xpedition EDM中完成的，该环境易于挑选合适器件，并高效地实现器件摆放和连线。

交互对齐，复制粘贴式的设计复用让原理图的绘制更加容易。

集成的功能仿真工具Xpedition AMS，支持多种语言的模型，如SPICE, VHDL-AMS, C, 和其他类型，保证设计早期的电路功能正确。在波形分析仪中检查信号波形，测量关心的波形指标，如摆率等，如图15所示，就像现在的示波器一样。在这一设计阶段，帮助设计优化，避免设计错误。

图 15.Xpedition AMS的波形分析仪。

Xpedition Layout 的高级封装选项是电源功率模组设计的必有工具，而不是当前常用的机械设计工具。键合线完全参数化，手工交互摆放。图16的3D显示，和导入机械外壳的能力，帮助键合线的检查和优化。2D和3D设计规则实时智能检查确保在交互式摆放键合线时一次成功。另外，设计师可以方便地直接获取键合线的长度和角度信息。

图 16.Xpedition Layout的3D显示。

HyperLynx Advanced Solver 能够仿真电源功率模组的分布电感和电流密度。有了这些信息，键合线的数量不需要猜想，电流摆率与分布电感相乘，就可以测算过冲了。

仿真也可以考虑不同负载的情况。比如，100安培。图17帮助找到电流热点，和电流的不均匀分布情况。

图 17.HyperLynx Advanced Solver Fast 3D 电流密度。

HyperLynx Full Wave Solver可以计算电磁场。帮助优化模组在真实场景中的性能。

近场和远场情况可通过添加不同的观测面来获得。

图 18.HyperLynx Advanced Solver Fullwave HPC。

最后，器件管脚之间的电气参数自动反向标注到 Xpedition Designer 和 Xpedition AMS工具中。

硬件工程师就可以仿真设计在静态和动态状态下的真实开关特性。这些波形可以用于热仿真工具Simcenter FloEFD 来计算静态和动态的开关损耗。Xpedition AMS 能读入各种类型的寄生原件，如Spice 电路、S参数, Z参数和Y参数。智能的网络处理过程自动把寄生参数嵌入网表，无需改动原理图。这保证了电源功率模组设计流程中的数据一致性。

图19显示了没有寄生参数的仿真结果和测量的每个器件的实际电压值之间明显地不同。

图 19.Xpedition AMS的波形分析。

有了这些电压值，就可以在Simcenter FloEFD中进行热分析了。电源功率模组本身，或者整个逆变器，包括散热片，作为一个基本单元。因为这种设计只需考虑传导型热交换，仿真可以非常快速地进行，也可以实现参数研究以找到最佳的热接触材料。

图 20.Simcenter FloEFD进行热分析。

图 21.Xpedition AMS中嵌入BCI-ROM模型。

从FloEFD输出BCI-ROM模型，与功能组件连接到一起，就可以进行电热仿真了（图21所示）。同样，VHDL-AMS格式的BCI-ROM模型全部连入网表或原理图中。联合仿真全面显示了电源功率模组带载开关特性的动态热行为。

与松散连接的设计流程相比，本文使用西门子产品 Xpedition, HyperLynx, 和Simcenter构成了无缝数字化的电源功率模组设计流程。减少研发互动成本只是高度集成的工作方法的一个优点，无需物理样机实现设计加速和优化，并帮助改善多领域的产品可靠性才是关键。单一供应商的解决方案通过高度自动化、多领域验证，保证并简化了整个设计流程。