基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模塊封裝實(shí)現(xiàn)功率模塊的低寄生電感設(shè)計(jì)

作者：陳道杰，Michael，F(xiàn)risch，Erno，Temesi

寄生電感一直以來(lái)都是電力電子器件應(yīng)用中需要克服的主要難題，尤其是對(duì)于高頻和大功率應(yīng)用場(chǎng)合。模塊內(nèi)部的寄生電感會(huì)造成關(guān)斷過(guò)程中的過(guò)電壓，寄生參數(shù)會(huì)造成模塊開(kāi)關(guān)過(guò)程中的波形震蕩，從而增加了電磁干擾和關(guān)斷損耗。功率模塊廠家做了很多研究試驗(yàn)去努力降低它，現(xiàn)在比較流行的方法是把疊層直流母線(xiàn)引入到模塊內(nèi)部，但相對(duì)來(lái)說(shuō)機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且成本較高，體積也較大。本文闡述了一種新的基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模塊封裝，通過(guò)為瞬時(shí)電流提供一條額外的超低寄生電感回路，真正實(shí)現(xiàn)了功率模塊的低寄生電感設(shè)計(jì)，為大功率高頻應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。

1. 模塊內(nèi)部寄生電感的影響

在關(guān)斷IGBT過(guò)程中，IGBT電流急劇變化，由于有寄生電感的存在，會(huì)在IGBT上產(chǎn)生電壓尖峰 Vce（peak） = Vce + L * di/dt，如圖1所示。

圖1： 關(guān)斷尖峰電壓

電壓尖峰增加了IGBT過(guò)電壓的風(fēng)險(xiǎn)，在某些應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是對(duì)于大功率應(yīng)用，高開(kāi)關(guān)速度情況下，需要使用更大電壓等級(jí)的IGBT，這無(wú)疑會(huì)增加器件的靜態(tài)損耗和器件成本；另外電壓尖峰及其導(dǎo)致的波形震蕩還會(huì)帶來(lái)額外的關(guān)斷損耗，這都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率的下降和成本的增加。

在

一個(gè)可接受的效率狀況下，可以說(shuō)寄生電感的存在限制了開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)一步提高，限制了高頻化的應(yīng)用；另外關(guān)斷過(guò)程中的電壓尖峰不僅和寄生電感大小成正比，它

還和開(kāi)關(guān)電流的變化率成正比。這就意味著對(duì)于大功率模塊，由于開(kāi)關(guān)電流比較大，它就需要更加低電感的設(shè)計(jì)。例如對(duì)于100A/700V（1200V

IGBT）的應(yīng)用，回路中寄生電感10nH是可以接受的，那么對(duì)于較大功率的應(yīng)用，例如500A/700V （1200V

IGBT），為了取得同樣的開(kāi)關(guān)效果，回路中的寄生電感必須降到2nH。但是現(xiàn)實(shí)情況正好相反，對(duì)于大功率模塊，為了降低回路中的等效電阻，需要使用更大

面積的直流母排和螺栓端子，而這又進(jìn)一步增加了回路中的寄生電感。因此，對(duì)于大功率模塊的應(yīng)用，現(xiàn)在更多的設(shè)計(jì)是通過(guò)降低模塊的關(guān)斷速度（如使用更大的驅(qū)

動(dòng)電阻或者使用較慢開(kāi)關(guān)速度的芯片）從而降低di/dt，來(lái)達(dá)到控制關(guān)斷電壓尖峰的目的。但這無(wú)疑增加了模塊的開(kāi)關(guān)損耗，這也是為什么現(xiàn)在大功率電力電子

裝置中，開(kāi)關(guān)頻率普遍提高不上去的原因。

2． 新型大功率模塊低寄生電感設(shè)計(jì)方法

如前文所述，大功率模塊回路需要流過(guò)大電流，為了保持回路中的低等效電阻，必須使用面積較寬的走線(xiàn)，而這就會(huì)增加回路中的寄生電感，這個(gè)矛盾是客觀存在的。為了解決這個(gè)矛盾，必須設(shè)法把兩個(gè)回路解耦。對(duì)應(yīng)的策略就是在保持大電流低電阻回路的基礎(chǔ)上，額外為IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程增加一個(gè)低寄生電感回路，如圖2所示。實(shí)線(xiàn)回路為穩(wěn)態(tài)大電流回路，由于走線(xiàn)很寬，等效電阻很小，但是由于環(huán)路面積很大，等效寄生電感較大。而虛線(xiàn)回路為瞬態(tài)大電流回路，只有在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，也就是di/dt比較大的時(shí)候，電流才會(huì)從這個(gè)回路走，時(shí)間一般只有幾百納秒，線(xiàn)路不會(huì)有很大的熱量，所以這個(gè)回路可以設(shè)計(jì)得非常小，從而實(shí)現(xiàn)低等效寄生電感。

圖2： 功率模塊雙回路設(shè)計(jì)理念

2．1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

現(xiàn)在的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)功率模塊的基礎(chǔ)上，在保持低電阻回路前提下，設(shè)計(jì)出額外的低寄生電感回路。方向有兩個(gè)：

？ 利用疊層走線(xiàn)降低寄生電感，例如PCB雙層走線(xiàn)，使用薄膜電容等；

？ 多個(gè)電感回路并聯(lián)使用，從而降低寄生電感。最佳的布線(xiàn)就是直流母線(xiàn)正負(fù)端子交替排列并互相靠近。

2．2 設(shè)計(jì)思路

如下圖3和4，flowSCREW為大功率標(biāo)準(zhǔn)模塊。

圖3：基于標(biāo)準(zhǔn)模塊flowSCREW的低寄生電感回路

圖4： 模塊內(nèi)部的PCB橋

圖中綠色的PCB橋就是為瞬時(shí)電流提供的低寄生電感回路。它位于兩個(gè)DCB之間。PCB上的直流母線(xiàn)是疊層設(shè)計(jì)的，也就是說(shuō)每層直流母線(xiàn)正端都會(huì)在PCB隔層設(shè)計(jì)為直流母線(xiàn)負(fù)端。模塊內(nèi)部的PCB橋通過(guò)PCB引腳和模塊外部的主PCB連接。不過(guò)為了保持間隙距離和爬電距離，DC+和DC-引腳需要保持足夠的距離。如果不采取措施，這兩個(gè)引腳之間也會(huì)產(chǎn)生等效寄生電感。由于模塊外部引腳電流是從不同的引腳間流過(guò)，所以沒(méi)辦法通過(guò)工作電流來(lái)補(bǔ)償寄生電感。但是在PCB引腳內(nèi)部，通過(guò)布置相反極性的電壓，例如在直流母線(xiàn)正端引腳內(nèi)部布置了直流母線(xiàn)負(fù)端走線(xiàn)，這也能顯著抑制了寄生電感的產(chǎn)生。低寄生電感回路通過(guò)外部的主PCB和1.2uF的薄膜電容相連。

3． 測(cè)試與驗(yàn)證

圖5為低寄生電感模塊樣品。

圖5： 測(cè)試樣品 （三個(gè)半橋模塊通過(guò)低寄生電感回路連接到濾波電容上）

接下來(lái)會(huì)對(duì)其進(jìn)行寄生電感和關(guān)斷電壓尖峰測(cè)試來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的效果。測(cè)試包括三個(gè)步驟：

？ 標(biāo)準(zhǔn)模塊寄生電感測(cè)試

？ 具有低寄生電感回路，但主PCB上沒(méi)有濾波電容的測(cè)試

？ 具有低寄生電感回路，有薄膜電容電路測(cè)試

3．1 標(biāo)準(zhǔn)模塊寄生電感測(cè)試

首先對(duì)600V 400A的標(biāo)準(zhǔn)模塊flowSCREW2進(jìn)行了測(cè)試，如圖6。其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，眾坐標(biāo)為以百分比標(biāo)示的各個(gè)電氣參數(shù)。藍(lán)色線(xiàn)為集電極發(fā)射極之間的電壓，100%對(duì)應(yīng)350V；粉紅色線(xiàn)對(duì)應(yīng)集電極電流，100%對(duì)應(yīng)700A；黃色線(xiàn)對(duì)應(yīng)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓，100%對(duì)應(yīng)15V。

圖6： 標(biāo)準(zhǔn)模塊關(guān)斷波形測(cè)試（沒(méi)有低寄生電感回路）

從圖中可以看到，在尖峰電流為700A （25C）時(shí)，關(guān)斷電壓尖峰達(dá)到了370V。即使直流母線(xiàn)電壓降到300V，670V的電壓尖峰也已經(jīng)超過(guò)IGBT允許的最大電壓。通過(guò)計(jì)算，可以得到標(biāo)準(zhǔn)模塊直流回路的寄生電感大約為22nH。

3．2具有低寄生電感回路，但主PCB上沒(méi)有濾波電容的測(cè)試

同樣是600V 400A的模塊，但是配置了低寄生電感回路，如圖7。

圖7： 模塊關(guān)斷波形測(cè)試（有低寄生電感回路，但沒(méi)有濾波電容）

模塊工作條件為直流母線(xiàn)電壓為350V，開(kāi)關(guān)尖峰電流為720A（25C）。從圖中可以看到電壓尖峰為250V，通過(guò)計(jì)算可以得到模塊的寄生電感大約為16nH，下降了大約27%，說(shuō)明低寄生電感回路的確起作用了。

3．3具有低寄生電感回路，有濾波電容電路測(cè)試

測(cè)試條件同上，從圖8所示，可以看到此時(shí)電壓尖峰進(jìn)一步下降到190V，通過(guò)計(jì)算，等效寄生電感為7nH。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模塊下降了68%。這就使得功率器件開(kāi)關(guān)速度可以提高68%，這將會(huì)大大降低半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率。這也為大功率模塊高頻化的實(shí)現(xiàn)提供了途徑。

圖8： 模塊關(guān)斷波形測(cè)試（有低寄生電感回路，有濾波電容）

4． 下一步的研究重點(diǎn)

下一步的研究方向主要是通過(guò)低寄生電感回路的并聯(lián)，來(lái)進(jìn)一步降低模塊內(nèi)部的寄生電感。通過(guò)這種方法，每個(gè)IGBT芯片將共用低寄生電感回路。也就是說(shuō)對(duì)每個(gè)芯片而言，回路寄生參數(shù)是類(lèi)似的。芯片之間的動(dòng)態(tài)均流效果將會(huì)非常好，這也從一定程度上降低了芯片并聯(lián)需要降額的要求。圖9為根據(jù)這個(gè)理念做的模塊，新模塊設(shè)計(jì)目標(biāo)是相對(duì)于flowSCREW封裝，在電流等級(jí)提高一倍的基礎(chǔ)上，把寄生電感進(jìn)一步下降到5nH以下。

圖9 新型大功率模塊封裝圖

5． 低寄生電感模塊的應(yīng)用

低寄生電感大功率模塊的實(shí)現(xiàn)為高頻高效大功率應(yīng)用以及新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了可能：

a. 高頻大功率應(yīng)用

低寄生電感模塊有效的降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)頻率的提高可以有效降低大功率設(shè)備的體積和重量。

b. 大功率NPC逆變器

對(duì)于中心點(diǎn)鉗位三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（NPC），相對(duì)于三相全橋電路，它的優(yōu)點(diǎn)就是有效降低了開(kāi)關(guān)損耗，適合于高頻應(yīng)用。但是NPC拓?fù)渲绷髂妇€(xiàn)有三個(gè)電壓端子（DC+， GND， DC-），要想在三個(gè)端子之間都保證低寄生電感很困難。高寄生電感又會(huì)削弱這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。新型的低寄生電感模塊有效地解決了這個(gè)問(wèn)題，為NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用到大功率裝置，如UPS，光伏逆變器，有源電力濾波器（APF）等鋪平了道路。

c. 矩陣逆變器

在大多數(shù)電力電子裝置應(yīng)用中，保證直流母線(xiàn)環(huán)路低寄生電感就可以有效解決關(guān)斷過(guò)電壓的問(wèn)題。但是對(duì)于比較復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如矩陣逆變器，由于系統(tǒng)中沒(méi)有直流母線(xiàn)，就必須保證開(kāi)關(guān)回路包括開(kāi)關(guān)器件，輸入端子和輸出端子回路的低寄生電感。

6． 結(jié)論

對(duì)于大功率電力電子設(shè)備，如何進(jìn)一步降低功率模塊內(nèi)的寄生電感一直是個(gè)難題。過(guò)高的寄生電感增加了開(kāi)關(guān)損耗，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高。關(guān)斷過(guò)程中的過(guò)電壓也給系統(tǒng)穩(wěn)定性造成傷害。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以看到本文闡述的理念 – 利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)大功率模塊，給模塊提供兩條回路，一個(gè)為螺栓連接的低電阻回路，另一個(gè)為通過(guò)PCB連接的低寄生電感回路可以有效降低大功率模塊內(nèi)的寄生電感，為大功率電力電子應(yīng)用開(kāi)辟了一條新的路徑。

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