首先要熟悉IGBT模块的性能。在这篇文章中，我们将通过两个方面来探讨：1. 如何调整模块设计来改善热性能。2. 如何能够改善电气性能。

在IGBT模块中，芯片面积减小导致了热阻抗的增加，进而影响性能。但是，由于较小的芯片在基板上释放了更多的空间，因此有可能利用这些新的可用空间来优化模块的布局。尺寸和功率往往看起来像是硬币的两面。当你缩小尺寸时--这是我们行业中不断强调的目标之一--你不可避免地会降低功率。但情况一定是这样吗？如果将我们的思维从芯片转移到模块设计上，就不需要抛硬币了。

作为参考，我们将使用采用TRENCHSTOP™ IGBT 7技术的新型1200V、600A EconoDUAL™ 3模块，该模块针对通用驱动（GPD）、商业、建筑和农业车辆（CAV）、不间断电源（UPS）和太阳能等应用进行了优化。

与以前的IGBT 4技术相比，1200V TRENCHSTOP™ IGBT 7中功率芯片的技术特点是芯片缩小了约30%。一般来说，越小越好，但对一个相同电流等级的模块，更小的芯片意味着从相同的芯片面积中流过更多的电流。这导致了从芯片结到散热器的热阻抗增加。为了补偿，你可以使用高导电性的基板材料，改善基片与散热器的接触，或使用高导电性的热界面材料。然而，这种材料会导致更高的成本，所以它们往往不是设计者的首选。

每个人都喜欢免费的东西，不是吗？因此，让我们把注意力转移到基板上的“免费”空间。缩小30%的芯片使基板上有更多的可用空间。现在，我们如何利用这些新释放出来的空间来改善热阻抗？

在EconoDUAL™ 3这样的中等功率模块中，多个芯片并联使用，以实现高模块电流。由于并联，多芯片间存在热耦合。来自两个芯片的热锋在模块的某一点上重叠，这导致两个芯片的有效耦合面积减少（图1）。

图1：简化的模块横截面显示了两个芯片的热量扩散和热量重叠与芯片距离的关系。热量从芯片1流经直接键合的铜基板（DBC）、底板、TIM，并进入散热器。

带有铜底板的模块对芯片之间的距离依赖性较小，因为铜底板为散热器提供了一个厚实、高传导性的热路径。然而，与其他优化模块布局的步骤相结合，芯片的位置可以产生重大影响。

图2：在不同的芯片放置和DBC设计下，EconoDUAL™ 3封装的散热层中的模拟温度分布

在图2中，你可以看到芯片放置在两个具有相同热堆的EconoDUAL™ 3模块布局上的差异。除了优化芯片的位置外，直接键合铜基板（DBC）的布局也会产生影响。通过在模块布局V2中使用三个较小的DBC--而不是V1中的两个较大的DBC，底板可以被优化，具有较低的弯曲度，从而改善与散热器的热接触。

为了了解芯片缩小、模块布局和DBC如何结合起来影响整体热阻抗（Rth,jh），我们测量了它们对各种IGBT 4和IGBT 7模块布局的影响。在图3的第二列（IGBT7，模块布局V1，DBC #1），你可以看到，通过简单地缩小芯片尺寸而不对布局做任何改变，IGBT的Rth,jh增加了大约20%。

图3：与前一代IGBT 4模块相比，通过模块布局、腔体优化和DBC厚度对Rth,jh的改进

我们在第三栏中更进一步（IGBT7，模块布局V2，DBC #1），显示了将模块的内部布局从2个DBC改为3个DBC的影响，如图2所示。这表明，通过模块布局，30%的芯片面积减小，仅使IGBT结-散热器Rth,jh增加了10%（IGBT7，模块布局V2，DBC #1）

为了适应需要更高的隔离电压的应用，可以增加DBC陶瓷的厚度。图3的最后一栏（IGBT7，模块布局V2，DBC #2）代表了具有更厚陶瓷基板的新设计：已经上市的1200V TRENCHSTOP™ IGBT 7。

1200V TRENCHSTOP™ IGBT 7中功率技术与以前的IGBT 4技术相比，芯片缩小了约30%。芯片放置和模块布局可以对较小的芯片的热性能产生积极的影响，但它们也会影响开关损耗。

在EconoDUAL™ 3这样的中等功率模块中，需要并联多个芯片以实现高模块电流。为了充分利用芯片技术的开关性能，一个适当的模块设计是关键，这意味着并联芯片的对称性非常重要。

开关速度和损耗的一个限制因素是在IGBT开启期间从二极管到IGBT之间的换流。图1说明了在相同的di/dt，和相同的IGBT和二极管技术和尺寸下，两种不同模块布局的IGBT开启过程。

图1：模块布局V1和V2的IGBT 7开启过程，开关速度相同

当电流开始上升时，CE电压下降。两种不同布局之间的一个明显区别是，电压（Vce）在V1中显示出一个驼峰曲线，这是由二极管的恢复过程造成的。二极管的电流需要过零，以便能够承担电压。从这点开始，IGBT可以将电压转移到二极管上，让自己的电压下降，直到达到饱和状态（Vcesat）。

由于芯片并联，最慢的二极管决定了整体开关速度。尽管两种布局在第一阶段显示了相等的di/dt，但V2有一个较高的反向恢复电流峰值，而V1在最后阶段显示了一个较高的反向恢复拖尾电流。这表明两种布局的二极管恢复过程是不同的，而且它直接影响到IGBT的开通损耗和二极管的关断损耗。为了更清楚地看到这一点，你可以比较V1和V2的模块布局的简化原理图（图2）。

模块布局V1的简化示意图；LD3<ld12< span="">；LT3<lt12< span="">；LLS>LHS>>LT12=LD12

图2：模块布局V1和V2的简化示意图。低边IGBT的开启过程和反向恢复电流的电流路径用红色标出。

模块布局V2的简化示意图；LLS=LHS=LAC>>LT=LD

在V1中，高边（HS）和低边（LS）的所有IGBT和FWD被分别并联，然后通过一个公共电感（LHS）连接。在LS IGBT的开启过程中，所有的高边二极管与低边IGBT通过这个单一的公共电感进行换向，这降低了反向恢复电流上升阶段的di/dt，从而导致载流子的提取速度变慢。

在V2中，使用了不同的物理布局。在这里，每个高边二极管可以在它自己的电流路径上与相应的低边IGBT直接换向。这导致了在二极管电流的过零点到反向恢复电流峰值之间的阶段有一个更陡峭的di/dt。更多的电荷载流子在第一阶段被提取，而二极管可以更快地建立电压（图3）。

图3：在相同的di/dt开关速度下，模块布局V1和V2的二极管关断

当从所有二极管中提取载流子的过程是同步的，IGBT电压可以更快地下降，降低IGBT开启的开关损耗。最好的情况是当并联的IGBT可以直接与对面的各自的续流二极管（FWD）换向，所有的路径都有理想的相同电感。尽管V2中低边和高边的不对称性增加了，但可以实现整体开关损耗的巨大减少--在相同的di/dt下约为7%（图4）。

图4：在图2和图4所示的开关条件下，模块布局V1和V2的相对IGBT 7开关损耗。

从本文的第一部分--以及现在的第二部分--可以看出，优化模块布局对散热和电气性能都有重大影响。但是，这在实践中是如何应用的呢？为此，让我们比较一下以前的EconoDUAL™ 3 1200V, 600A with TRENCHSTOP™ IGBT4配备的模块布局V1（FF600R12ME4_B72）和新的EconoDUAL™ 3 1200V, 600A with TRENCHSTOP™ IGBT7配备的模块布局V2。

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