随着电动汽车、新能源发电和智能电网等领域的蓬勃发展,电力电子变流器的容量需求不断增加。多芯片并联功率模块作为大容量电力变流器的核心部件,其性能直接影响变流器的效率和可靠性。受芯片成本和质量的限制,多芯片并联功率模块是实现大容量变流器的高性价比方案。现有的多芯片并联功率模块普遍采用经验化的设计准则,造成裕度冗余、功率浪费。因此,需要对多芯片并联功率模块的封装进行优化设计,但是还存在以下困难。从建立功率模块封装理论体系的角度,强耦合、多目标和非线性是制约模块设计理论形成的难点。受电热效应、电磁耦合、热力膨胀等多物理场耦合的制约,低感、低热阻和低应力等多目标的最优解之间相互矛盾;半导体器件特性的非线性、封装材料参数在宽频率范围下响应的差异性,使功率模块等效模型的参数随开关过程时变。从多芯片并联运行的角度,封装决定了并联分流的不平衡度,进而决定了功率模块的降额率。由于并联电流在不同封装结构下的均流特性各异,实际分流效果随着模块封装的布局结构、材料选型的变化而不同,难以找到通用的数学模型来描述封装对并联均流的影响机制。从功率模块应用的角度,封装的设计与特定的工况割裂。不同运行温度、开关频率下封装与功率器件的配合效果缺乏数据支持,难以实现定制化封装。根据以上难点,本文以多芯片并联功率模块的技术需求为契机,以功率电路的基本组件PiN二极管和IGBT为研究对象,按照从单芯片到多芯片、从设计到实现的思路,针对功率模块的布局优化设计、封装集成方法和通用性电流分配数学模型等若干关键技术,提出了多芯片并联功率模块设计和封装的解决方法。(1)建立了功率模块封装的多目标优化设计模型。针对电–热–力多物理场耦合效应,造成功率模块多种性能优化目标之间的制约,本文以功率模块寄生参数、热阻和非弹性工作能量密度为表征参量,利用快速非支配排序遗传算法,求解了单芯片功率模块的最佳结构参数。详细对比了不同封装材料和布局结构对于功率模块寄生参数、热阻、寿命等目标的影响规律,为功率模块的多目标协同优化提供了方法。针对宽禁带半导体芯片与封装配合的不协调,本文以引线键合式焊接功率模块为案例,梳理了功率模块的制作原则和工艺流程,对比了相同封装参数下全SiC、全Si和混合功率模块的开关特性及温度敏感性,为不同应用场合的功率模块的选型提供了理论与数据支持。(2)针对电热耦合效应造成并联电流不平衡,本文通过研究PiN二极管结温与损耗的反馈关系,提出开关频率和电流水平是确保并联电热负反馈稳定状态的重要因素。基于PiN二极管在大电流注入下正向导通损耗和反向恢复损耗的相反温敏特性,提出了保持并联器件电热平衡的“零温度特性频率”,揭示了电热耦合对开关频率的限制作用,为多芯片并联模块电热设计提供了新角度。(3)针对封装寄生参数造成并联电流不平衡,本文通过分析开尔文连接对并联IGBT电流分配的影响,建立了封装寄生参数对电流分配支配作用的通用性数学模型。基于门极回路阻抗和主功率回路阻抗参数的矩阵解耦,分析了不平衡电流的产生机理,提出了多芯片动态电流分配的等效小信号模型。实验对比没有和具有开尔文连接对动态电流不均衡度影响,揭示了封装参数对电流分配的决定性作用,印证了通用的电流分配机制模型的有效性。该模型解决了模块设计与实际分流之间的割裂关系,为全面评估封装布局提供了理论判据。本文围绕多芯片并联功率模块的优化设计与封装集成问题,以硅PiN二极管和IGBT两种典型器件为研究对象,分析了温度和封装参数两种不平衡因素对并联均流的影响。通过建立电热耦合和封装寄生对并联电流分配的数学模型,提出了维持并联均流的解决方案,并进行了实验验证。本文提出的通用性理论模型为多芯片并联Si功率模块的全面评估提供了判据,也为下一代SiC功率模块的封装集成研究提供了有益的经验和思路。