如今碳化硅陶瓷基板，在功率模塊下高溫汽車逆變器應用中提供出色的熱性能和高可靠性。與傳統的引線鍵合功率模塊相比，卓越的開關性能降低了開關的損耗性，因此可以延長電動汽車的續航里程，從而降低對系統的成本。

迄今為止，低溫共燒陶瓷（LTCC）很少用于電力電子領域，但其獨特的物理特性與Si、SiN和SiC完美的匹配。此處，LTCC使3D多層布線功率模塊結構成為可能，在高溫應用中提供低開關損耗、出色的熱性能和可靠性。

在空腔的深度與使用的碳化硅MOSFET（半導體場效應晶體管）的高度相匹配如圖1.1所示。因此，可以將SiC MOSFET燒結到空腔中，將MOSFET燒結到空腔中后，碳化硅MOSFET和LTCC之間的剩余空間填充有底部填充物，以確保功能隔離如圖1.2所示。

然后，通過將帶有芯片的LTCC燒結或焊接到Si3N4-AMB陶瓷基板上，可以實現具有良好熱性能的芯片背面接觸如圖1.3所示。與其它陶瓷基板相比，碳化硅陶瓷基板提供了最佳的機械穩健性以及出色的導熱性，是需要高可靠性和高功率密度應用的合理選擇。所得陶瓷組件內的材料在熱膨脹系數（CTE）方面非常匹配。因此，期望在高工作溫度下具有高可靠性。

將Si3N4底部焊接到3D打印的鋁散熱器（如圖2.1所示）完成了熱路徑。但這種散熱器很特別如圖3所示，它從冷卻器表面到冷卻劑的熱路徑極短。冷卻器表面和冷卻劑之間只有0.5毫米的3D打印鋁材料。

從SiC MOSFET結到冷卻劑的總熱阻測得為0.8K/W每芯片，這種陶瓷基板組件能夠在比150℃高的溫度下工作，例如在電機逆變器中也可以在LTCC中建立散熱通孔，以實現雙面冷卻。

但在試驗的案例中，我們利用了LTCC的另一個優勢：可以將SMD元件直接放置在頂側表面上。因為，我們直接在LTCC上放置了一個直流鏈路RC緩沖器和非隔離式柵極驅動器電路。兩者的組件也能夠在150℃下工作如圖2.2所示，因此我們在電源模塊內有一個完整的開關單元，電源模塊滿足快速無振蕩切換所需的兩個關鍵電磁條件。第一個條件是初級直流鏈路電感如圖4所示中的黃色回路。

開關單元回路跨越兩個半導體、初級直流鏈路電容器和阻尼電阻器。LTCC頂部的阻尼直流鏈路構建了一個3D毫米寬的超平坦開關單元回路。結果，開關單元電感小于1nH其他直流鏈路電阻器通過LTCC與熱通孔直接連接到碳化硅襯底。因此，它們在開關時刻吸收了開關單元內的大部分諧振電路能量，從而降低了半導體中的熱應力。快速和無振蕩開關所需的第二個條件是低柵極電感。一個非隔離式柵極驅動器電路直接放置在功率模塊上靠近半導體，將柵極電感如圖4所示降低到5nH以下，這確保了無寄生導通的開關并減少了振蕩。

將這樣的核心集成到系統中并非易事，需要基本絕緣和低電感大電流連接。填充有標準的硅膠的塑料框架如圖2.3所示可調整陶瓷組件相對于PCB的位置。并確保基本隔離。

低電感大電流連接器采用0.3mm扁平多觸點彈簧連接器，這些降低了PCB上200F次級直流鏈路箔電容器與電源模塊頂部RC緩沖器之間連接的雜散電感。這些連接的低電感對于快速開關性能至關重要，因此我們只有8.4nH的次級直流鏈路電感如圖4所示中的藍色環路所示。

總而言之，帶腔體的LTCC使我們能夠構建適合高工作溫度的碳化硅陶瓷基板CTE匹配組件。高熱性能是通過從結到焊接層、氮化硅陶瓷和0.5毫米薄的3D打印鋁散熱器的超短熱路徑實現的。

超低直流回路電感，由于直流回路RC緩沖器直接放置在電源模塊上，低電感系統集成可實現快速且無振蕩的電源模塊切換。低柵極阻抗確保無寄生開啟和低開啟損耗，基于LTCC的電源模塊提供的功率足以為150kw電機逆變器供電。該功率模塊在高速開關方面樹立了標準，并結合了低熱阻和高工作溫度。

審核編輯：湯梓紅