布局布线主导的多芯片碳化硅功率模块动态均流研究

作     者：葛雨馨 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王智强

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：动态均流 多芯片SiC功率模块 封装布局布线 寄生电参数 

摘      要：得益于碳化硅(Silicon Carbide,SiC)功率芯片的高开关性能优势,SiC功率模块在电气化交通等大功率场合中具有广阔的应用前景。受限于芯片的制造工艺水平,单个SiC功率芯片的通流能力无法满足大功率输出的需求。为了提高功率模块的额定电流,通常将多个芯片并联使用,并封装集成于多芯片SiC功率模块中。然而,功率模块封装内部的多芯片互连会诱发寄生效应,特别是寄生电感的引入,会对并联芯片的动态电流分配产生不利影响。动态电流分配不均衡会导致功率损耗和芯片结温不一致,从而降低功率模块的可靠性和工作寿命。因此,为了避免动态电流不均对功率模块造成不可逆的损坏,本文以引线键合式多芯片SiC功率模块为研究对象,重点开展布局布线主导的并联芯片动态均流研究。研究内容具体如下:(1)基于开关瞬态耦合寄生网络模型,对多芯片SiC功率模块进行了布局布线主导的动态均流机理分析。全面理解动态均流机理是有效缓解并联芯片动态电流分配不均的关键。本文以两种通用布局的多芯片SiC功率模块为例,根据部分自感与部分互感的概念建立了开关瞬态耦合寄生网络模型。在此基础上,分析了并联芯片的动态均流机理,并推导了动态均流等式。该等式不仅可以作为并联芯片动态均流特性评估的依据,也可以作为多芯片SiC功率模块布局设计与布线优化的理论指导。(2)基于动态均流等式计算值与开关瞬态电流波形,对多芯片SiC功率模块进行了布局布线主导的动态均流特性评估。精准提取寄生电参数并建立等效的电路模型是准确评估并联芯片动态均流特性的重要前提。本文以两种通用布局的多芯片SiC功率模块为研究对象,采用ANSYS Q3D提取了开关瞬态耦合寄生网络模型中涉及的寄生电参数,据此计算了动态均流等式。其次,基于提取的频率相关寄生电参数,在ANSYS Simplorer中进行了电磁耦合仿真分析以获取开关瞬态电流波形。将动态均流等式计算值与开关瞬态电流波形结合,能够实现并联芯片的动态均流特性评估。等式计算值与仿真结果的高度匹配验证了动态均流等式的有效性。此外,针对制作的功率模块样品,从部分电感测量和双脉冲测试两方面进行了实验验证。(3)基于动态均流等式,提出了一套实现动态均流的多芯片SiC功率模块布局设计与布线优化方案。本文根据功率模块基板铜图案与芯片布局设计的原则与流程,设计了优化布局的多芯片SiC功率模块。基于响应面建模法,对上述功率模块进行了并联芯片功率源极键合线优化,获取了优化布线的多芯片SiC功率模块。根据前述的动态均流特性评估方法,对两种功率模块开展了布局布线优化前后的对比与仿真验证。此外,对制作的功率模块样品进行了双脉冲测试的实验验证。通过提出的功率模块布局设计与布线优化方案,可将并联芯片的动态电流峰值或谷值差异降低至2.2%,有效实现了动态均流。