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中压SiC功率模块的强制氟化液体冷却技术：同步解决电气与热管理挑战

作者及机构
本研究由Liang Wang（学生会员，IEEE）、Huayang Zheng、Yulei Wang、Jiakun Gong、Borong Hu（会员，IEEE）、Wei Mu（研究生会员，IEEE）、Jiyu Li、Teng Long（会员，IEEE）和Zheng Zeng（会员，IEEE）合作完成。作者团队主要来自重庆大学（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology, School of Electrical Engineering）和剑桥大学（Department of Engineering, University of Cambridge）。研究发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》2024年12月刊（Vol. 39, No. 12）。

学术背景

研究领域与动机
本研究属于电力电子封装技术领域，聚焦中压（Medium Voltage, MV）碳化硅（SiC）功率模块的绝缘与热管理协同设计问题。随着SiC器件电压等级提升，传统封装面临两大矛盾：
1. 绝缘与热阻的权衡：增加绝缘层厚度（如堆叠DBC基板）会降低电场强度，但会显著增加热阻；
2. 局部放电（Partial Discharge, PD）风险：高频方波激励下，硅凝胶（silicone gel）封装易因电场畸变引发PD，导致绝缘失效。

研究目标
提出一种新型冷却方案——强制氟化液体冷却（Forced Fluorinated Liquid Cooling, FFLC），通过将氟化液体（3M FC-40）直接引入功率模块替代硅凝胶，实现：
- 降低结温（junction temperature）；
- 提升绝缘性能（如局部放电起始电压，PDIV）；
- 打破传统设计中绝缘与热管理的矛盾。

研究流程与方法

1. 技术原理与仿真验证
- FFLC设计：将3M FC-40氟化液体（介电强度46 kV/0.1英寸）注入模块内部，直接接触芯片顶部散热，取代硅凝胶并减少热阻路径（图5）。
- 热仿真（COMSOL Multiphysics）：对比传统水冷（TWC）与FFLC的热性能。仿真条件：冷却液入口温度50°C，IGBT和二极管芯片功耗分别为51 W和26 W。结果显示，FFLC使结温从112°C降至85°C（降低27°C）。

2. 实验验证
- 实验平台：搭建半桥IGBT模块测试平台（图8-9），对比TWC与FFLC的性能。关键参数：输出电流90 A，电压300 V，流量3 L/min。
- 结果：
- 结温降低：FFLC在满负载下结温比TWC低21°C（图11-12）；
- 温升（δTj）改善：最大温升从59°C降至38°C（降幅35.6%）（图15-16）；
- 流量优化：氟化液体流量≥2 L/min时，结温变化趋于稳定（图18）。

3. 绝缘性能测试
- PD检测平台：在方波激励下（图21），测试单层与双层DBC基板在硅凝胶和3M FC-40中的PDIV。
- 结果：
- 硅凝胶封装的双层DBC PDIV为6 kV，单层为4 kV；
- 3M FC-40中单层DBC在10 kV下未检测到PD（图22），显著优于硅凝胶。

4. 堆叠DBC的协同优化
- 热-电场协同仿真：堆叠DBC层数增加可降低电场强度，但传统水冷会导致热阻剧增。FFLC因热量从芯片顶部导出，堆叠DBC的热阻影响可忽略（图27）。
- 实验验证：双层DBC模块采用FFLC后，结温比TWC降低39°C（从119°C至80°C），同时PDIV显著提升。

主要结果与逻辑关联

1. 热管理性能：FFLC通过直接芯片冷却，显著降低结温和温升，解决了堆叠DBC的热阻矛盾。
   
2. 绝缘性能：3M FC-40的高介电强度和低粘度（4.1 cP）有效抑制PD，PDIV提升至10 kV以上。
   
3. 协同设计：FFLC允许无限堆叠DBC以降低电场，而无需担忧热阻增加（图23）。
   

结论与价值

科学价值
- 首次提出FFLC技术，同步解决中压SiC模块的绝缘与热管理矛盾；
- 实验验证了氟化液体在方波激励下的高PDIV特性，为高压封装材料选择提供新方向。

应用价值
- 适用于高铁、柔性直流输电等高温高功率场景；
- 推动下一代中压SiC模块的紧凑化与高可靠性设计。

研究亮点

1. 创新方法：FFLC将流动氟化液体引入模块内部，取代传统静态冷却和硅凝胶封装。
   
2. 多物理场协同：通过热-电耦合仿真与实验，验证了堆叠DBC在FFLC下的可行性。
   
3. 工业适用性：3M FC-40已用于数据中心浸没冷却，技术成熟度高。
   

其他有价值内容

• 键合线可靠性：低流速（3 L/min）下氟化液体对键合线影响可忽略，未来可通过铜片焊接（Cu clip-bonding）进一步优化（图19）。
  
• 与双面冷却对比：FFLC在堆叠DBC中性能优于混合双面冷却（HDSC），且结构更简单（图26-27）。
  

总结：本研究通过FFLC技术，为中压SiC功率模块提供了兼具高绝缘与低热阻的封装解决方案，突破了传统设计的限制，具有重要的学术与工程意义。