随着更多电飞机、电推进系统及高端电驱应用的发展，功率电子正加速向更高功率密度、更高效率与更高工作温度演进。碳化硅（SiC）器件凭借优异的电学与热学性能，已成为高功率密度逆变器的核心选择。然而，在器件尺寸持续缩小、开关频率和电流密度不断提升的背景下，单位面积热流密度可达 1 kW/cm²，封装与散热逐渐成为限制 SiC 系统性能释放的关键瓶颈。

       近期，华中科技大学团队提出了一种面向高功率密度 SiC 逆变器的系统级解决方案，通过在功率模块内部引入铜–金刚石复合材料（CDC）嵌入式基板，并结合局部强化直冷液冷策略，在不采用多芯片并联的前提下，实现了 75 kW 三相 SiC 逆变器、63.3 kW/kg 的重量功率密度。研究成果以“Maximizing Power Density in SiC Inverters: Copper-Diamond Composite Embedded Power Modules with Advanced Local Cooling Strategy”为题，发表在2025 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)。

       在器件与封装层面，研究团队设计了一款 1.2 kV / 120 A 半桥 SiC 功率模块，每个开关位置仅采用一颗 SiC MOSFET 裸片，并并联一颗 SiC 肖特基二极管用于改善高温死区性能。该设计刻意避开多 MOSFET 并联方案，以更直观地验证封装和散热结构对功率密度的真实贡献。

       针对 SiC 高速开关对寄生参数敏感的问题，模块采用三维电流换流回路结构，显著缩短功率回路面积。仿真结果显示，其功率回路杂散电感仅 9.8 nH（@10 MHz），为高频、高效率运行提供了良好的电气基础。

       该工作的核心创新之一，在于将铜–金刚石复合材料直接嵌入功率模块基板内部。通过热压工艺制备的 CDC 材料热导率高达 688 W/(m·K)，比纯铜提升约 70%，同时热膨胀系数降至 10.5 ppm/K，更接近 SiC 器件。CDC 通过活性金属钎焊方式嵌入中空铜基板，并精准布置在 SiC 芯片正下方，显著缩短热传导路径，在降低结到壳热阻的同时缓解封装内部的 CTE 失配问题。

       在散热系统方面，论文提出了一种基于歧管微通道的局部直冷策略。传统三相液冷系统中，冷却液沿流向逐渐升温，容易导致不同相位模块结温不均。为此，研究团队将冷却液分为 6 路并联支路，每个半桥模块对应独立的微通道冷板，使各功率芯片几乎接触相同温度的冷却液。在 9 L/min 流量下，系统压降仅 49 kPa，可由小功率水泵驱动。

       热仿真结果显示，在总损耗 1860 W、冷却液入口温度 65 ℃ 条件下，三相模块最大结温差仅 3.9 ℃，结到液体热阻低至 0.353 K/W（单芯片），兼顾了低热阻与高热均匀性。

       基于上述封装与散热技术，研究团队构建了一台 75 kW 三相 SiC 逆变器原型机，采用信号层、功率层与热管理层的垂直堆叠集成架构。整机重量 1.185 kg、体积 1.64 L，在 800 V 母线、20 kHz 开关频率下实现 75 kW 连续运行，实测效率达 99.1%。

       总体来看，该工作并非单点技术突破，而是展示了一条清晰的工程路径：通过结构化高热导材料进入功率模块内部，并配合面向热源的局部强化冷却设计，即使在单芯片 SiC 架构下，也能实现极高功率密度。这一思路对航空电推进、高端电驱与下一代高功率密度变流系统具有重要参考价值。

       图文导读

图1. 提出的1.2kV/120A碳化硅半桥功率模块配置。(a) 原理图。(b) 模块结构（顶盖已移除）。

图2. 电流换相回路的ANSYS Q3D仿真结果。

图3. 拟议SiC功率模块的铜-金刚石复合嵌入式基板。(a) 实物图像。(b) X射线图像。

(c) CDC的扫描电子显微镜图像。

图4. 提出的碳化硅功率模块的堆叠视图

图5. 采用歧管微通道的直接液体冷却系统方案。