基于相变材料的压接式功率模块增强过流能力研究——FRD案例研究

作者及发表信息

本研究由Hai Ren、Weihua Shao、Li Ran（IEEE高级会员）、Gaofeng Hao、Lin Zhou、Philip Mawby（IEEE高级会员）和Huaping Jiang合作完成。主要研究机构包括中国重庆大学（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology）和英国华威大学（University of Warwick）。研究成果发表于IEEE Transactions on Industry Applications期刊2021年7月/8月刊（Vol. 57, No. 4）。

学术背景

研究领域与动机

本研究属于电力电子器件热管理领域，聚焦于电压源换流器-高压直流输电（VSC-HVDC）系统中功率半导体器件的动态过载能力提升问题。随着可再生能源大规模并网，电网对VSC-HVDC系统的故障穿越能力提出了更高要求，例如在电网短路时需提供150%额定电流持续30秒的支撑能力。然而，传统功率模块（如IGBT和快恢复二极管FRD）的短期过流能力受限于芯片温升，亟需通过创新热管理技术解决这一瓶颈。

研究目标

本研究提出将相变材料（Phase Change Material, PCM）集成到压接式功率模块中，利用PCM的潜热吸收特性抑制瞬态温升，从而提升器件的短期过流能力。研究以快恢复二极管（FRD）为对象，通过实验与有限元分析（FEA）验证设计的有效性，并探讨多芯片模块的扩展应用潜力。

研究流程与方法

1. PCM材料选择与集成设计

PCM筛选

研究团队基于高性能（高潜热、高导热性、合适熔点）和实用性（低体积变化、化学稳定性、无毒）两大准则，从固-液PCM中筛选出商用铋基合金LM108。其特性如下：
- 熔点：108°C
- 潜热：45 kJ/kg
- 热导率：35 W/(m·K)
- 符合RoHS标准

模块结构设计

在传统压接模块（基于ABB StakPak技术）基础上，提出将PCM集成于钼制血小板（platelet）中（图3b）。关键设计要点包括：
- 位置优化：PCM置于芯片上方的血小板内，减少热传递延迟（图4a）。
- 封装工艺：在血小板侧面钻孔（3个M4螺丝孔，深度18.5 mm）填充PCM，预留3%体积膨胀空间，采用高温密封膜防止泄漏。
- 热路径保留：80%稳态热量仍通过基板（baseplate）散出，避免影响正常工况热阻。

2. 实验验证

测试平台

搭建如图6所示的实验系统，核心组件包括：
- 待测器件（DUT）：4.5 kV/125 A FRD子模块，对比传统结构与PCM集成结构。
- 热成像：FLIR SC7000红外相机（分辨率640×512，采样率115 Hz）测量侧面温度。
- 热电偶：芯片阳极中心点温度直接测量（精度±0.5°C）。
- 负载模拟：50 V/200 A直流电源模拟电网故障工况（表III）。

测试工况

模拟两种电网电压跌落场景：
- Case I：电压跌至0.7 p.u.，无功功率加倍（等效2.0 p.u.过流）。
- Case II：电压跌至0.6 p.u.，等效2.4 p.u.过流（图7）。

3. 有限元建模与校准

采用COMSOL建立三维热模型，关键建模策略：
- PCM相变模型：通过温度依赖的热容函数模拟潜热吸收（公式5）。
- 接触热阻：基于表面粗糙度与压力计算界面导热系数（公式3-4）。
- 芯片热源分布：将FRD活性区分两层建模（PN结层与漂移区层），分别分配损耗（图11）。
模型通过实验数据校准，侧表面温度模拟误差<10%（图12）。

主要研究结果

1. PCM的温升抑制效果

• Case I（2.0 p.u.过流）：PCM集成模块的芯片温度较传统设计降低15°C（135°C vs. 150°C，图14a）。
  
• Case II（2.4 p.u.过流）：PCM将峰值温度限制在150°C以下，而传统设计达170°C（图14b）。
  
• 热流分配：过载期间PCM吸收热量占血小板总吸热量的52.3%（Case II），其中潜热贡献占比超80%（图16）。
  

2. 血小板结构的影响

• 单纯增大血小板体积（未填充PCM）可通过钼的比热容缓冲温升，但效果仅为PCM方案的60%（图10）。
  
• 优化设计潜力：仿真表明，若将血小板改为中空腔体（图18a），可在不增加截面积的情况下容纳更多PCM，进一步降低温升5-8°C。
  

3. 多芯片模块扩展性

通过布局优化（图17），PCM集成模块的占地面积可仅比传统设计增加35%，未来通过腔体结构设计有望进一步缩减。

结论与价值

科学意义

1. 热管理创新：首次在压接式功率模块中集成PCM，证实其通过潜热吸收有效抑制瞬态温升的可行性。
   
2. 方法论贡献：建立了结合红外测温与FEA的PCM-功率器件耦合分析框架，为后续研究提供范式。
   

应用价值

1. 电网支撑能力提升：使VSC-HVDC系统可满足未来电网对150%过流持续30秒的严苛要求。
   
2. 可靠性增强：降低芯片热应力，延长器件寿命。
   

研究亮点

1. 材料-结构协同设计：选择LM108合金并创新性将其集成于血小板内，兼顾稳态热阻与瞬态热容。
   
2. 实验验证全面性：通过红外热成像与热电偶多维度测量温度场，数据交叉验证可靠性高。
   
3. 工程化潜力：提出的中空血小板设计（图18）为未来多芯片模块量产提供技术路径。
   

其他价值

研究附录详细提供了FRD器件参数（表IV）与各封装层热阻数据（表V-VI），为同行复现研究奠定基础。此外，作者指出该技术可扩展至IGBT芯片，仅需为栅极垫（gate pad）预留凹槽即可（图17b）。