摘要
功率半导体模块是电能变换器的核心能量转换单元，其合理的设计可以有效提升电能变换器的功率密度。针对现有研究缺乏系统总结的问题，依次从材料、芯片、封装、栅极驱动四个层面较为系统地总结了提升变换器功率密度的方法，分别是:使用宽禁带材料、改进芯片结构、采用先进封装和改进驱动设计。总结了不同方法提升变换器功率密度的原理，并对基于功率半导体模块设计提升变换器功率密度的现有研究进行分类对比；梳理出现有研究的主要挑战，并对未来的发展趋势进行展望。
Abstract
Power semiconductor modules are the core energy conversion units in power converters. By optimizing their design, the power density can be significantly enhanced. However, current design methods lack systematic summaries. To address this, a systematic summary across four levels(material, chip, packaging and drive) was presented. This included utilizing wide bandgap materials, enhancing chip structure, adopting advanced packaging and improving gate drive design. The underlying principles behind these methods for increasing power density were summarized, and classified and compared the existing research on improving the power density of converters based on power semiconductor module design. The primary challenges in current research were combed, and the future development trend was forecasted.
随着工业4.0时代的到来，新能源、航空航天、船舶动力等重要领域对电能变换器的功率密度提出了更高的要求。电能变换器通常由功率半导体模块、控制单元、驱动单元、散热单元等部件经连接件组合而成，作为一个非线性、多变量的电、磁、固、热多物理场耦合系统，其功率密度的提高涉及新型材料、芯片设计、封装技术、高频变压器等众多领域的技术融合。
过去的数十年间，电能变换器的功率密度呈指数级别增长。图1显示了过去20年来应用于商业和尚处实验室阶段的电能变换器功率密度的上升趋势[1-9]。可以看出，功率密度的增加主要得益于宽禁带材料和先进封装技术的运用，它使得模块可以工作在更高的结温和工作频率下。功率半导体模块作为电能变换器中重要的能量转换单元，其合理的设计可以有效提升变换器的功率密度。为保证全面性，综述涵盖了传统的硅基功率模块以及最近十年商业上出现的更先进的宽禁带（wide band gap，WBG）功率模块。
研究重点从使用宽禁带材料、改进芯片结构、采用先进封装和改进驱动设计四个方面依次按照材料、芯片、封装、栅极驱动四个不同层面对优化功率半导体模块提升电能变换器功率密度的研究及其原理进行归纳总结，并列举了各个领域当前的关键进展和创新，最后，梳理出现有研究的主要挑战，并对未来的发展趋势进行展望。
图1过去20年应用于商业和尚处于实验室阶段的电能变换器功率密度上升趋势
Fig.1Upward trend in power density for both commercial and laboratorial power converters over the past 20 years
1 使用宽禁带材料
1.1 SiC材料
SiC在提升变换器功率密度方面具有如下优势:①击穿场强高，在高压的同时可以降低损耗，减小散热器体积。②拥有低本征载流子浓度（宽禁带）和较高的热导率，提升了器件在高温下运行的能力。表1通过查阅产品手册对比了商业上不同最高安全结温的器件处理功率的能力，扩展的安全结温在可靠性允许范围内增大了输出功率。③高饱和迁移速度和较低的介电常数使SiC具有较好的高频特性，可大幅减小变换器中无源组件的体积，更快的开关速度还有助于提高器件的效率[10]。
表1不同型号器件处理功率能力对比
Tab.1Comparison of power capabilities of different devices
商业应用方面，国内外已推出了多种基于SiC功率模块的高功率密度产品。国外方面，美国Wolfspeed 2021年推出的650 V SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET）模块功率密度较Si基方案有大幅提升[11]。国内方面，比亚迪公司在2021年公布了功率密度较Si基提升1.5倍，达到45 kW/L的SiC 功率模块[12]。我国SiC功率模块在成品率、晶圆尺寸等方面与国外整体水平相比还有较大差距。
SiC在提升变换器功率密度上仍然存在许多需要解决的挑战。首先， SiC器件成本较高，主要有以下原因：①制备SiC器件需要高质量的衬底和外延; ②SiC晶圆不平坦度更高，增加了光刻流程的复杂程度; ③产能较低带来的成本效应使得其比大规模生产的Si器件更加昂贵。研究显示，随着SiC晶圆尺寸从15.24 cm发展至20.32 cm，器件成本可减小17%~22%[13]。其次，当前SiC晶圆生产存在径向掺杂浓度不一致的问题时，良品率和芯片参数的一致性被降低。此外，SiC芯片的通流能力受到单极性模式下高击穿电压和外延缺陷的限制。外延缺陷主要源自三个方面：①化学气相沉积在外延生长过程中引入了点缺陷[14]；②以基底平面位错为代表的缺陷从衬底进入外延层；③SiC无法通过扩散进行掺杂，采用高温离子注入也可能引入缺陷。对于SiC MOSFET而言，目前主要通过将多个并联芯片封装入模块的方式增大整体通流能力。然而，改进制造工艺是解决这个问题的根本方法。
SiC器件还面临可靠性方面的挑战：①独特的氧化机制和不成熟的制造工艺导致SiC器件栅氧可靠性差，通过氮化物退火钝化技术可以改善SiC/SiO2界面的质量；②SiC的弹性模量约为Si的3倍，封装抗疲劳可靠性较差；③SiC器件具有较低的短路耐受电压和耐受时间，需要更快的短路保护响应时间。总体上看，目前SiC器件的可靠性低于Si器件。
最后，为充分发挥SiC器件高温、高频的优势，需要研发更先进的封装。一方面，扩展的结温对散热提出了更高的要求，研究显示，结温每上升10℃，器件失效率就增加近2 倍[15]，需要研发高温材料和连接工艺以及先进的散热结构和方法以保证可靠性; 另一方面，更高的开关频率带来了更加严重的关断电压过冲和电磁干扰问题，因此对低环路寄生电感的要求更高[16]，高速开关带来了更加复杂的电流平衡问题，通过优化封装可以改进电流分布。
1.2 GaN材料
GaN击穿场强较高，有助于在高压运行时降低损耗，其宽禁带的特点拓展了器件的结温。GaN相比SiC具有更高的饱和漂移速度和电子迁移率，高频能力更加突出。Si衬底GaN器件的寄生参数极小，开关损耗极低，其发展显著降低了GaN器件的制造成本，在未来可能会比Si器件更便宜。GaN芯片较低的导通电阻有助于减小损耗，助力功率密度提升。商业上最常用的GaN器件是高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor，HEMT），与传统Si器件相比具有更高的效率且所需无源组件更小，有助于构建功率密度更高的电能变换系统。
GaN器件高功率密度潜力的充分发挥也存在着亟待解决的问题。首先，GaN器件的衬底和外延往往采用不同的材料，为防止晶格失配导致接触面损坏，需增加绝缘缓冲层，因此，目前的商业GaN器件都是横向结构，限制了高压应用[17]。GaN Systems公司开发了一种GaN/Si电动车牵引变换器，可综合Si绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor， IGBT）的高压优势和GaN HEMT的高频优势[18]。另一种解决方案是在传统AlGaN/GaN HEMT上生长GaN，形成极化超结（polarization super junction，PSJ）结构，日本丰田公司联合Powdec公司基于该结构开发了额定电压达到10 kV的GaN横向器件[19]。近年来，由于GaN体衬底技术的发展，一些垂直结构的GaN器件得以研发[17]，选择性区域掺杂和再生长技术是制造垂直GaN器件的关键工艺[20]。其次，GaN的热导率和Si相近，相比SiC要小得多[21]，模块的散热要求更高，且极高的开关频率对封装杂散电感的要求更为严苛，增加了封装设计的难度。此外，HEMT的电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）控制问题由于GaN技术相对不成熟而变得复杂且具有挑战性。最后，与Si和SiC器件相比，GaN器件可用于分析的失效案例较少，其可靠性分析更加复杂，有待进一步深入研究。
表2总结了使用WBG材料提高电能变换器功率密度的信息。
表2使用宽禁带材料提升变换器功率密度信息汇总
Tab.2Summary of information on the use of wide band gap materials to improve the power density of converters
1.3 超宽禁带材料
近年来，以Ga2O3和金刚石为代表的第四代超宽禁带半导体材料在功率器件研究领域有了较多突破[22-23]。表3对比了不同材料的品质因数（figure of merit，FOM），其中Baliga优值（Baliga figure of merit，BFOM）、Johnson优值（Johnson figure of merit，JFOM）分别主要衡量材料的高功率、射频性能。可见，第四代半导体材料在制备高功率密度功率模块上具备显著的本征优势。
表3不同材料的品质因数对比
Tab.3Comparison of FOMs of different materials
Ga2O3是目前最有可能进入产业初级阶段的超宽禁带材料，其器件预计可同时具备高性能[24]和低成本[25]的特点。然而，Ga2O3功率器件实现产业化还需克服以下困难：①衬底生长方面，铱生长工艺价格昂贵，且导模法高温生长过程中极易产生大量缺陷[26]；②器件制备方面，Ga2O3有效P型掺杂存在困难，需要进一步确定浅受主[27]，另外，Ga2O3极低的热导率限制了器件在高功率场合的应用[28]。总体来看，超宽禁带半导体材料广泛应用于高功率密度模块还有一定距离。
2 改进芯片结构
在大功率应用场合，通常采用多个芯片并联的方式进行扩容。然而，并联过多芯片会加剧电流分布不均和热耦合问题，同时导致布线复杂，增大寄生参数。鉴于这些限制，提高电能变换器的功率密度需要增加单个芯片的功率输出能力，而不能仅依赖于增加芯片数量。提升功率密度的另一种思路是将续流二极管嵌入开关芯片，可以有效减小芯片面积，并抑制交替导通带来的基板加热不均。此外，芯片的高温可靠性问题限制了功率密度的进一步发展。一方面，高温漏电流产生的热量大幅降低了芯片的高温可靠性；另一方面，芯片导通电阻的正温度系数可能引发热失控，这种风险限制了功率器件的可用结温。
通过改进芯片结构，可以增加电流密度、减小芯片面积和扩展结温，从而使电能变换器的功率密度在芯片层级上得到提高。
2.1 沟槽栅技术
沟槽栅技术通过减小台面宽度有效提高了电流密度。IGBT微沟槽（micro pattern trench，MPT）技术和SiC MOSFET沟槽栅（trench MOSFET，TMOSFET）技术是其中具有代表性的应用。
2020年，英飞凌公司推出了基于MPT技术的第七代IGBT产品，通过亚微米台面分隔的平行沟槽快速移除载流子，其元胞结构如图2（a）所示。与第四代相比模块额定电流增加了50%，功率密度增加了77%[29]。国内MPT技术较欧洲、日本等地存在着一定差距，但呈现蓬勃向上的发展趋势，2021年，斯达半导体第七代MPT IGBT芯片研发成功[30]。国产MPT技术在未来有望打破技术壁垒，其关键在于发展深亚微米级的曝光技术、快速热退火处理、机械抛光等先进制造工艺[31]，同时还需要考虑集电极致势垒降低（collector induced barrier lowering，CIBL）效应导致的短路能力下降的问题。
SiC MOSFET有两条并行的技术路线：平面栅和沟槽栅。SiC TMOSFET通过纵向通道实现更小的元胞间距和更高的沟道迁移率，可有效提高电流密度。然而，沟槽底部的栅氧化层在高电场作用时容易发生局部击穿。Yang等开发了一种带有深层p+屏蔽层和电流扩展层（deep p+shielded region and current spreading layers，DPCSL）的结构[32]，如图2（b）所示，在源极周围的深p+区形成空间电荷区分担栅氧所受的高电场，避免了局部击穿。
商用方面，罗姆公司推出了一种双沟槽结构[33]，通过将p区下移与n-漂移层形成耗尽区转移电场；英飞凌的非对称TMOSFET[34]通过在一侧降低p区以实现半包裹沟槽的效果，以防止栅氧化层发生局部击穿，其结构分别如图2（c）、图2（d）所示。制造工艺是限制SiC TMOSFET发展的主要因素。
2.2 续流二极管嵌入技术
通过诸如逆导 IGBT（reverse conducting IGBT， RC-IGBT）和SiC MOSFET 二极管嵌入等技术将续流二极管和开关器件集成到单一芯片中，可有效减小芯片尺寸。
RC-IGBT通过在集电极添加n+区嵌入续流二极管，其结构如图3（a）所示。Werber等用 RC-IGBT 替代分立芯片，使牵引变换器的功率密度提高了30%[35]。RC-IGBT 的发展主要受到电压折回现象的阻碍，这一现象会导致显著的动态电流不均，使 RC 技术在多芯片并联的应用中难以推广。国内外研究人员对此现象进行了广泛研究，目前仍然难以完全消除它的负面影响。
图2采用沟槽栅技术的典型元胞结构
Fig.2Cross section of typical trench gate sturcture
SiC MOSFET具有寄生体二极管，可提供反向导通路径。Yamaguchi等分析了从 SiC MOSFET 模块中去除外部并联肖特基势垒二极管（Schottky barrier diodes，SBD）的效果，改进后可减小芯片尺寸40%，节省的空间可放置额外的芯片以增加功率密度[36]。然而，采用体二极管续流会引入双极退化（bipolar degradation，BD）效应，长期使用会影响器件的导通电阻等特性。此外，寄生体二极管相比外部并联二极管损耗更大，更长的反向恢复时间也将限制器件的高频应用。在实际应用中，往往采用同步整流方式进行续流，使体二极管仅在死区期间导通，从而抑制 BD 效应。
避免 BD 效应的另一种方法是将 SBD或肖特基结势垒（junction barrier Schottky，JBS）二极管嵌入 SiC MOSFET 芯片中，抑制体二极管导通并减小芯片尺寸[37]。Kawahara等将 SBD 嵌入6.5 kV SiC MOSFET 芯片中，芯片总面积减小了2/3[38]，其结构如图3（b）所示。2023年，日本三菱电机开发出了一种集成SBD的SiC MOSFET新型结构，并已将其应用于3.3 kV全SiC功率模块[39]。采用嵌入二极管的方法可能会导致器件特性发生变化，该问题还有待进一步深入研究。
图3嵌入续流二极管的典型元胞结构
Fig.3Typical cell structure of embedded freewheeling diode
2.3 高温芯片结构
改进芯片缓冲层的结构或掺杂特性是抑制高温漏电流的一种重要途径。Zhang等开发了一种双缓冲层（double buffer layers，DBL）结构，通过在更深层的缓冲层中掺入深能级施主杂质，在200℃下将漏电流降低了71%[40]，其结构如图4（a）所示。降低高温漏电流的另一种方法是改变芯片超结（super junction，SJ）柱的几何形状和掺杂水平。Hsieh等开发了一种分离的p型体区和p型柱（disconnected p-body and p-pillar，DPBPL）结构，如图4（b）所示，通过适当浓度的p型柱掺杂，在200℃下有效降低了漏电流水平[41]。抑制高温漏电流可以有效提高芯片的高温运行稳定性。
芯片导通电阻的正温度系数被认为是热失控的重要原因。SJ结构可以在不牺牲耐压能力的条件下降低漂移区电阻，并表现出较低的导通电阻温度依赖性。Kobayashi等[42]开发了一种应用于SiC MOSFET的窄SJ间距结构，其中p-和n-型柱减小了宽度并提高了掺杂浓度，其结构如图4（c）和图4（d）所示，图4（c）和图4（d）中的数值为掺杂浓度。n型区较高的掺杂浓度降低了比导通电阻的温度依赖性，如图5所示。较低的温度依赖性极大地提高了芯片的高温可靠性。表4总结了改进芯片结构提高电能变换器功率密度的信息。
图4高温芯片结构
Fig.4High-temperature chip sturcture
图5不同芯片结构的比导通电阻温度依赖性
Fig.5Temperature dependency of specific on-resistance of different chip structure
3 采用先进封装
良好的封装为芯片的电磁、热、力等性能提供保障。芯片的高温潜力需要先进的高温材料和连接工艺作为支撑才能充分发挥，例如，SiC芯片可在200℃以上工作，但传统Si基封装在这个温度下会发生退化。高频运行可以有效降低无源组件的体积，但同时也带来了电压过冲问题。降低封装寄生电感可以改善这一问题，WBG器件开关速度更快，低感设计对WBG电能变换器功率密度的提升更加显著。另外，多个并联模块或芯片之间电流的差异会导致变换器不得不降额运行来保证可靠性，通过先进封装提升均流性能可有效提高变换器的功率密度。由于WBG器件开关速度较快，实现均流控制更为困难。
表4改变芯片结构提高变换器功率密度信息汇总
Tab.4Summary of information on increasing converter power density through improving chip structure
综上，发展高温材料和连接工艺、改进模块热管理、发展低感封装技术、提升均流性能成为从模块封装角度提升变换器功率密度的主要优化路线。所述内容涵盖Si器件和以SiC 为主的WBG器件。根据两类器件的特点，在高温材料和连接工艺、低感封装技术、提升均流性能三种路线中将重点介绍WBG器件的相关研究。封装设计的基本方法是相通的，只是WBG器件的技术要求更高。
3.1 高温材料和连接工艺
提高模块的高温能力必须发展以高温材料和连接工艺为主要内容的高温封装技术。材料方面，重点考虑键合、焊接、衬底、底板以及塑封材料的高温适应性，通过对比材料熔点、烧结温度、应力水平、热导率、热膨胀系数等指标进行选择；工艺方面，一种有代表性的选择是采用活性金属钎焊（active metal brazing，AMB）制作直接覆铜（direct bonding copper，DBC）衬底[43]，银烧结技术[44]和瞬态液相[45]（transient liquid phase，TLP）焊接技术实现连接。表5展示了可在200℃环境下工作的考虑性能、成本折中的封装选择。
目前商业SiC功率模块长期可靠运行的最高耐温标准为150℃，175℃封装仍处于标准化阶段，国际上个别企业研发水平达到200℃以上[46]。
表5可在200℃环境下工作的封装选择
Tab.5Packaging options available at 200℃
3.2 改进模块热管理
现阶段，已有较多针对各类功率模块提升散热性能的研究，可归纳为散热路径优化、多芯片热解耦和新型散热方式三种优化路线。
3.2.1 散热路径优化
通过减少芯片和散热器之间的介质层以及增加额外散热路径的双面冷却（double-sided cooled，DSC）结构，可有效改善模块整体的热性能。
功率模块传统封装结构如图6（a）所示，介质层数较多限制了散热效果。Yamaguchi等将铜基板与散热器直接焊接，去除了传统结构中的硅脂材料，变换器样机功率密度提高了18%，达到70 kW/L[6]。复旦大学利用集成底板（integrated base plate，IBP）技术将DBC与底板集成，消除了下铜层和焊料层，其结构如图6（b）所示，芯片最高温度降低了10%[47]。另一种方法是使用选择性激光熔化技术在基板下打印散热器，其结构如图6（c）所示，可使芯片到散热器之间的介质层缩短至三层，热阻降低20%[48]。
典型的DSC结构如图7所示，热量可通过上下两条散热路径传递到空气中。国际整流器公司于2010年开发了CooliR2TMDSC结构，搭载该模块的变换器功率密度可提升33%[49]。德尔福公司开发了Viper DSC结构，使变换器功率密度提升了25%[50]。日立公司开发的pin-fin DSC结构可使热阻降低50%，可使变换器功率密度提升70%。2019年，奥迪MY2019 eTron变换器使用了日立公司改进的DSC结构，功率密度提升了160%，达到30 kW/L[50]。中车时代电气公司于2016年开发的DSC结构热阻低于0.1 K/W，使变换器功率密度提高了30%[51]。DSC封装设计的主要难点是需要解决不同芯片之间高度差异的问题，通常通过调整图7中垫片的厚度实现。
图6通过减少介质层数进行散热路径优化
Fig.6Heat dissipation path optimization by reduced intermediate layers
图7功率模块典型DSC结构
Fig.7Typical DSC structure of power module
3.2.2 多芯片热解耦
多芯片模块（multiple chip module，MCM）中芯片之间的热耦合问题不可忽视，通过有效隔离芯片的热量，可以减少热堆积和结温的升高，确保模块在高负荷条件下更加稳定和可靠地运行。
曾理通过改进布局实现芯片之间的热解耦，优化后降低了各个功率芯片的最高温度，如表6所示[52]，变换器输出功率密度预计可以提升60%。Yang等在DSC的基础上提出交错封装的概念，利用交错开关单元使相邻芯片交错放置，等效耦合热阻降低了57%，结温不均衡度由7.9%降低至2.6%[53]，改进后变换器的输出功率密度预计可提升20%。
表6多芯片热解耦优化前后各芯片的最高温度
Tab.6The maximum temperature of each chip before and after multi-chip decoupling optimization
3.2.3 新型散热方式
传统散热方式有自然冷却和强制风冷、水冷等单相散热技术。相变散热技术如热管、喷雾等方式可实现更高的热导率。Shu等[54]使用 U 形热管对大功率模块进行散热，热流功率密度可达 367 W/cm2。灵活性是热管的另外一大优势， Alizadeh等[55]在功率模块和散热器之间嵌入热管，通过优化将散热器高度降低至9.6 mm，缩小了变换器的体积。
热管仍然属于被动冷却的范畴，以微通道流、喷雾冲击和射流冲击为代表的主动冷却技术在过去10年被广泛研究和讨论。一种用于SiC功率模块的射流冲击冷却平台被开发，通过将模块底板与冷却室连接，其输出功率较传统冷板冷却提升近300%[56]。然而，由于射流冲击冷却平台的体积较大，对于变换器功率密度提升的效果需要具体分析。
3.3 低感封装技术
低感封装技术可以分为降低自感和磁场相消两类。
降低自感可以通过减小换流回路的面积实现。Yang等提出了一种基于P-cells和N-cells概念的封装设计，将同一换流回路的芯片相邻放置，并设计岛状基底使换流回路从平面扩展至三维空间，进一步减小换流面积，寄生电感降至1.63 nH[57]。西安交通大学采用双层陶瓷衬底和多层铜层优化了GaN模块布局，回路寄生电感降低至0.94 nH，采用该模块开发的3.3 kW两相交错降压变换器功率密度达到50 kW/L[58]。
流过相反电流的两根导体之间的耦合电感会相互抵消，这种效应称为磁场相消。日产公司研制了双层DBC SiC功率模块，在层间设计换流回路实现磁场相消，其结构如图8（a）所示，寄生电感降至5 nH，采用该模块搭建的三相SiC变换器使功率密度达到73.5 kW/L[5]。采用多层DBC结构会增大热阻，为解决这一问题，华中科技大学研发了一种优化的芯片嵌入式结构，如图8（b）所示，在底部DBC结构基板的顶部嵌入SiC芯片，相比常规双层DBC结构热阻降低40%，寄生电感降至1.8 nH[59]。西安交通大学开发了一种紧凑的650 V/150 A GaN功率模块，回路如图8（c）所示，利用上下两层电流相反进行磁场相消，回路寄生电感降低至0.71 nH，利用该模块搭建的降压变换装置的功率密度达到132 kW/L[8]。
低感封装技术的难点主要在于寄生电感的准确定位和提取以及提取结果的准确性评估。现有的寄生电感提取方法主要有实验倒推法、阻抗分析法和有限元法，其中，有限元法的提取精度最高，但是其应用的前提是需要提取换流回路详细的几何参数和材料特性，由于趋肤效应，工作频率的选择对提取结果也有较大影响。
图8磁场相消封装结构
Fig.8Mutual-inductance cancellation packaging structure
3.4 提升均流性能
影响MCM均流性能的因素主要有芯片参数和封装寄生参数，从封装层面改进均流性能主要聚焦于实现对称的布局。由于导通电阻具有正温度系数，静态电流具有自平衡效应，因此当前研究主要聚焦于优化并联芯片的动态均流性能。
MCM的动态均流分析和芯片是否有开尔文源极密切相关：当芯片无开尔文源极时，由于共源寄生电感耦合于驱动回路中，共源电感失配对动态均流的影响占据支配地位；当芯片有开尔文源极时，由于功率、驱动回路未完全解耦[60]，功率源极电感失配对并联芯片动态均流的影响仍然占据主要地位[61]。Zeng等对SiC MOSFET MCM建立了等效电路模型和数学模型，为均流分析和封装优化提供了理论支撑[62]。
西安交通大学以降低功率源极电感不匹配为优化目标，对两款模块封装结构进行调整：调整键合线几何参数及其与上铜层的连接位置，使电流差异由9 A降至2 A[63]；改进铜夹接模块的顶层互连结构，使电流不平衡度由31.1%降至8.3%[64]，变换器的输出容量预计可提升20%。Wang等引入双端封装概念，每个功率回路均由两个换流回路并联而成，其结构如图9所示。优化后模块的寄生电感不平衡度由72%降至14%，新型封装使模块功率密度提升了25%[65]。
在电能变换器中，通常需要将功率模块并联以实现所需的功率水平，模块之间的均流问题也至关重要，并已得到广泛研究[66]，这些研究主要分为差模扼流圈法[67]、器件预选法[68]、插入外部磁性元件法[69-70]和栅极驱动主动控制法[71]。其中，栅极驱动主动控制法所需的电流传感器和差模扼流圈由于体积较大难以集成入封装中，其实际应用还有待进一步发展。
图9双端封装结构
Fig.9Double-end packaging structure
通过采用先进封装提升电能变换器功率密度的信息汇总在表7中。四种优化路径之间可能会相互影响，例如，通过对称布局实现均流可能会增加回路寄生电感。分析不同优化方法之间的协同设计机理，实现多目标协同优化，将成为未来提高电能变换器功率密度的重要研究方向。此外，当前缺乏考虑复杂回路多物理场耦合的设计方法，指导和验证封装设计的多物理场耦合仿真难以同时兼顾仿真精度和效率，有待进一步深入研究。
表7通过采用先进封装提高电能变换器功率密度的信息汇总
Tab.7Summary of information on increasing converter power density through advanced packaging
4 改进驱动设计
通过改进驱动设计提升变换器功率密度可以从两个方面进行考虑：一方面，为充分发挥器件高频工作的潜力，驱动单元应尽可能放置在靠近功率模块的位置以减小寄生效应，这就要求驱动单元能够在高温条件下可靠工作，同时不增加散热需求；另一方面，利用栅极驱动主动门控（active gate control，AGC）技术可以有效改善器件性能，通过提升动态均流性能、降低开关损耗等方式提升变换器的功率密度[72]。
4.1 高温驱动
绝缘体上硅（silicon on insulator，SOI）工艺是实现高温驱动的主要技术手段[73]，Valle-mayorga等基于SOI工艺开发了支持200 kHz开关频率、可在225℃下工作的栅极驱动单元[74]。CISSOID和XREL公司是使用SOI栅极驱动的主要供应商，驱动集成电路（integrated circuit，IC）设计的最高结温分别为225℃和230℃[75]。
SOI驱动芯片成本高昂，针对这一问题，Qi等提出了一种基于分立元件的高温驱动电路，并验证了180℃下工作的可靠性[76]。然而，仅使用分立元件设计紧凑的电路必须对功能进行削减。为进一步突破300℃，研究人员设计了一些基于WBG材料的驱动电路，SiC模拟IC已被证明可在400℃下工作[77-78]，Barlow等研制了基于互补式金属氧化物半导体（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）制程的高温SiC驱动IC，可在500℃下工作[79]，目前，SiC驱动IC仅停留在实验室阶段。
许多高功率密度电能变换器的开发涉及高温驱动的应用，Zhang等针对电动汽车系统可靠运行的要求，研制了一种高温栅极驱动板，设计的牵引逆变装置功率密度达到34 kW/L[80]；Cree公司在SiC变换器中采用可在150℃条件下工作的高温栅极驱动器，装置整体质量功率密度达到15.62 kW/kg[81]。高温驱动已成为宽禁带电能变换器高功率密度设计的重要组成部分。
4.2 AGC技术
根据是否存在反馈回路，可将现有AGC技术分为开环型和闭环型两类。开环型AGC基于功率半导体器件的瞬态模型进行前馈补偿，以达到优化多开关特性的目的，在此基础上引入负反馈回路，构成具有调节能力的闭环型AGC。
开环方法硬件结构较为简单，在优化开关特性的同时不需要过多增加变换器的体积。Mannen等[82]开发的数字AGC电路在50 kW全桥变换器中使器件关断电压过冲从60%降低至6%，验证了所设计的AGC电路可以抑制杂散电感对开关特性的影响，有助于在可靠性允许的范围内进一步释放器件的高频应用潜力并增加变换器布局的灵活性，提升功率密度。开环型AGC技术的短板在于其过于依赖器件瞬态特性建模的准确性，对结温和工作点变化的适应性较差，无法实现实时调控。
闭环型AGC引入了对器件状态量进行采样的环节，随着AGC技术的发展，采样频率不断提高，研究人员提出了一系列驱动宽禁带器件的闭环AGC方法。Zhang等通过电流反馈回路和可控栅极电阻网络实现了并联SiC MOSFET模块的均流控制，改进后并联器件的温差从25.8℃降至1.8℃[83]，均流性能的提高避免了变换器的降额使用。为解决SiC器件高di/dt和dv/dt导致的电压超调和振荡问题，Nayak等提出了一种离散事件反馈AGC方案，实现了过电压小于20%、开关损耗降低30%[84]的效果，并在10 kW变换器样机中验证了性能。西安交通大学开发了随着工作点变化调整电压斜率的闭环AGC自适应驱动电路，但仅在常规工况下验证了效果[85]。
闭环型AGC技术的短板在于其需要引入复杂的模拟算术电路和采样电路，由于先进的AGC电路可以代替变换器中诸如缓冲电路、保护电路等组件的功能，可以在一定程度上抵消引入额外电路对变换器功率密度的不利影响。对于WBG器件，需要使用高频数字电路或复杂的延时电路实现纳秒级的控制分辨率，增大了设计难度。当前AGC技术的相关研究大多未应用于工程实践，且研究对象为周期性稳态等常规工况，缺乏极端条件下的控制分析，更缺乏考虑器件疲劳参数退化对瞬态应力调控的影响分析，这也与现有器件瞬态模型在极端条件下的表征不足有关，AGC技术未来的发展还有很大的进步空间。
5 挑战与发展趋势
5.1 存在的挑战
电能变换器的功率密度在过去的40年间呈指数级增长，半导体材料科学发展、芯片元胞结构优化、先进封装技术的研发和新型驱动设计是提升功率半导体模块性能，保持变换器功率密度继续保持指数级增长的关键。目前国内外仍存在以下挑战有待进一步突破：
1）芯片材料和结构方面。仍然存在许多问题亟待解决，包括但不限于：SiC单晶制造成本问题、晶圆掺杂一致性问题、外延缺陷问题、栅氧制备缺陷问题、GaN同质外延生长问题、GaN选择性区域掺杂和再生长问题、微沟槽IGBT芯片CIBL效应问题、逆导IGBT电压折回问题、SiC MOSFET芯片双极退化问题、栅氧可靠性问题、高温可靠性问题、Ga2O3有铱工艺成本问题、p型掺杂问题、材料衬底和外延生长缺陷问题等。需要进一步提高芯片生产工艺水平，研发先进生产、检测设备，保障新的工艺能够更快地走向成熟应用。
2）模块封装设计方面。目前功率半导体模块的封装设计缺乏复杂回路多物理场耦合下的高效高精度设计方法，设计效率和准确性还有待提升，尚未有可推广至常规封装设计的同时满足精度、效率和表征全面性的多物理场耦合仿真验证方法。四种封装优化路径之间可能会相互影响，封装优化方式之间的协同优化设计物理机制仍未清晰建立，有待进一步深入研究。
3）驱动设计方面。目前AGC技术仍难以满足极端运行条件下功率半导体器件的高效控制及高可靠性设计需求，缺乏极端条件下功率半导体器件内部微观特性与端口特性对应关系的精确表征和对器件疲劳参数退化的考虑，难以对器件全寿命周期内的电热特性进行有效调控，对变换器功率密度的提升效果还有待更全面的检验。此外，由于硬件技术的限制，闭环AGC技术针对WBG器件的研究尚不充分，需要对硬件要求和调控效果进行权衡。
5.2 发展趋势
随着新能源、航空航天、船舶动力、电磁能等领域的快速发展以及国家对节能减排的迫切需求，对电能变换器功率密度的要求越来越严苛，预计未来面向高功率密度电能变换器的功率半导体模块的主要发展趋势包括：
1）高可靠性低成本宽禁带功率芯片。芯片材料和结构存在的前述问题得到改善，预计2030年逐渐出现以Ga2O3和金刚石为代表的第四代半导体材料在功率模块领域的示范性应用，充分释放先进材料和工艺下的芯片潜力。
2）功率半导体模块高性能封装设计。进一步朝着高温、高散热性能、低寄生电感、高均流特性的方向发展。多物理场耦合条件下的高效高精度设计和多目标协同优化将成为未来提高电能变换器功率密度的重要研究方向。
3）功率器件高效高可靠AGC技术。AGC朝着多开关特性优化、自适应实时调控等方向发展，进一步优化功率半导体器件的开关应力特性。实现考虑疲劳的器件全寿命周期内参数多时间尺度变化下的电热应力有效调控。
4）高功率密度集成多因素多目标优化设计。不同的优化方式之间存在一定的制约关系，例如，提高开关频率可以减小无源组件的体积，但同时会增大开关损耗导致散热压力增大，需要考虑不同优化方式的利弊进行高功率密度高效电能变换器的综合设计。
6 总结
综述了当前面向高功率密度电能变换器的功率半导体模块在材料、芯片、封装、驱动四个层面的研究现状：①使用宽禁带材料，系统总结了SiC和GaN材料提升变换器功率密度的原理、代表性应用和有待解决的问题，对以Ga2O3为代表的第四代超宽禁带半导体材料的良好前景和实现产业化存在的问题进行了概述。②改进芯片结构，总结了具有代表性的先进芯片结构和亟须突破的关键问题。③采用先进封装，分析了改进封装提升变换器功率密度的优化路线，重点针对高温材料和连接工艺、改进模块热管理、低感封装和均流封装四个优化方向总结了具有代表性的研究成果并梳理其中有待解决的问题。④改进驱动设计，总结当前高温驱动和AGC技术提升变换器功率密度的原理和若干研究。最后，基于研究现状总结提出未来面向高功率密度电能变换器的功率半导体模块设计存在的挑战，并结合当前国家对新能源等领域的发展需求，对该领域未来的发展趋势进行展望。
