作者：陳道杰，Michael，Frisch，Erno，Temesi

寄生電感一直以來都是電力電子器件應用中需要克服的主要難題，尤其是對于高頻和大功率應用場合。模塊內部的寄生電感會造成關斷過程中的過電壓，寄生參數會造成模塊開關過程中的波形震蕩，從而增加了電磁干擾和關斷損耗。功率模塊廠家做了很多研究試驗去努力降低它，現在比較流行的方法是把疊層直流母線引入到模塊內部，但相對來說機械結構比較復雜，而且成本較高，體積也較大。本文闡述了一種新的基于現有標準模塊封裝，通過為瞬時電流提供一條額外的超低寄生電感回路，真正實現了功率模塊的低寄生電感設計，為大功率高頻應用的實現提供了可能性。

1. 模塊內部寄生電感的影響

在關斷IGBT過程中，IGBT電流急劇變化，由于有寄生電感的存在，會在IGBT上產生電壓尖峰 Vce（peak） = Vce + L * di/dt，如圖1所示。

圖1： 關斷尖峰電壓

電壓尖峰增加了IGBT過電壓的風險，在某些應用場合，尤其是對于大功率應用，高開關速度情況下，需要使用更大電壓等級的IGBT，這無疑會增加器件的靜態損耗和器件成本；另外電壓尖峰及其導致的波形震蕩還會帶來額外的關斷損耗，這都會導致系統效率的下降和成本的增加。

在

一個可接受的效率狀況下，可以說寄生電感的存在限制了開關頻率的進一步提高，限制了高頻化的應用；另外關斷過程中的電壓尖峰不僅和寄生電感大小成正比，它

還和開關電流的變化率成正比。這就意味著對于大功率模塊，由于開關電流比較大，它就需要更加低電感的設計。例如對于100A/700V（1200V

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

IGBT），為了取得同樣的開關效果，回路中的寄生電感必須降到2nH。但是現實情況正好相反，對于大功率模塊，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，而這又進一步增加了回路中的寄生電感。因此，對于大功率模塊的應用，現在更多的設計是通過降低模塊的關斷速度（如使用更大的驅

動電阻或者使用較慢開關速度的芯片）從而降低di/dt，來達到控制關斷電壓尖峰的目的。但這無疑增加了模塊的開關損耗，這也是為什么現在大功率電力電子

裝置中，開關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計方法

如前文所述，大功率模塊回路需要流過大電流，為了保持回路中的低等效電阻，必須使用面積較寬的走線，而這就會增加回路中的寄生電感，這個矛盾是客觀存在的。為了解決這個矛盾，必須設法把兩個回路解耦。對應的策略就是在保持大電流低電阻回路的基礎上，額外為IGBT開關過程增加一個低寄生電感回路，如圖2所示。實線回路為穩態大電流回路，由于走線很寬，等效電阻很小，但是由于環路面積很大，等效寄生電感較大。而虛線回路為瞬態大電流回路，只有在開關過程中，也就是di/dt比較大的時候，電流才會從這個回路走，時間一般只有幾百納秒，線路不會有很大的熱量，所以這個回路可以設計得非常小，從而實現低等效寄生電感。

圖2： 功率模塊雙回路設計理念

2．1 設計目標

現在的設計目標就是在現有標準功率模塊的基礎上，在保持低電阻回路前提下，設計出額外的低寄生電感回路。方向有兩個：

？ 利用疊層走線降低寄生電感，例如PCB雙層走線，使用薄膜電容等；

？ 多個電感回路并聯使用，從而降低寄生電感。最佳的布線就是直流母線正負端子交替排列并互相靠近。

2．2 設計思路

如下圖3和4，flowSCREW為大功率標準模塊。

圖3：基于標準模塊flowSCREW的低寄生電感回路

圖4： 模塊內部的PCB橋

圖中綠色的PCB橋就是為瞬時電流提供的低寄生電感回路。它位于兩個DCB之間。PCB上的直流母線是疊層設計的，也就是說每層直流母線正端都會在PCB隔層設計為直流母線負端。模塊內部的PCB橋通過PCB引腳和模塊外部的主PCB連接。不過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，這兩個引腳之間也會產生等效寄生電感。由于模塊外部引腳電流是從不同的引腳間流過，所以沒辦法通過工作電流來補償寄生電感。但是在PCB引腳內部，通過布置相反極性的電壓，例如在直流母線正端引腳內部布置了直流母線負端走線，這也能顯著抑制了寄生電感的產生。低寄生電感回路通過外部的主PCB和1.2uF的薄膜電容相連。

3． 測試與驗證

圖5為低寄生電感模塊樣品。

圖5： 測試樣品 （三個半橋模塊通過低寄生電感回路連接到濾波電容上）

接下來會對其進行寄生電感和關斷電壓尖峰測試來驗證設計的效果。測試包括三個步驟：

？ 標準模塊寄生電感測試

？ 具有低寄生電感回路，但主PCB上沒有濾波電容的測試

？ 具有低寄生電感回路，有薄膜電容電路測試

3．1 標準模塊寄生電感測試

首先對600V 400A的標準模塊flowSCREW2進行了測試，如圖6。其中橫坐標為時間，眾坐標為以百分比標示的各個電氣參數。藍色線為集電極發射極之間的電壓，100%對應350V；粉紅色線對應集電極電流，100%對應700A；黃色線對應門極驅動電壓，100%對應15V。

圖6： 標準模塊關斷波形測試（沒有低寄生電感回路）

從圖中可以看到，在尖峰電流為700A （25C）時，關斷電壓尖峰達到了370V。即使直流母線電壓降到300V，670V的電壓尖峰也已經超過IGBT允許的最大電壓。通過計算，可以得到標準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上沒有濾波電容的測試

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： 模塊關斷波形測試（有低寄生電感回路，但沒有濾波電容）

模塊工作條件為直流母線電壓為350V，開關尖峰電流為720A（25C）。從圖中可以看到電壓尖峰為250V，通過計算可以得到模塊的寄生電感大約為16nH，下降了大約27%，說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，有濾波電容電路測試

測試條件同上，從圖8所示，可以看到此時電壓尖峰進一步下降到190V，通過計算，等效寄生電感為7nH。相對于標準模塊下降了68%。這就使得功率器件開關速度可以提高68%，這將會大大降低半導體器件的開關損耗，提高系統效率。這也為大功率模塊高頻化的實現提供了途徑。

圖8： 模塊關斷波形測試（有低寄生電感回路，有濾波電容）

4． 下一步的研究重點

下一步的研究方向主要是通過低寄生電感回路的并聯，來進一步降低模塊內部的寄生電感。通過這種方法，每個IGBT芯片將共用低寄生電感回路。也就是說對每個芯片而言，回路寄生參數是類似的。芯片之間的動態均流效果將會非常好，這也從一定程度上降低了芯片并聯需要降額的要求。圖9為根據這個理念做的模塊，新模塊設計目標是相對于flowSCREW封裝，在電流等級提高一倍的基礎上，把寄生電感進一步下降到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用

低寄生電感大功率模塊的實現為高頻高效大功率應用以及新的拓撲結構提供了可能：

a. 高頻大功率應用

低寄生電感模塊有效的降低了開關損耗，提高了開關頻率。開關頻率的提高可以有效降低大功率設備的體積和重量。

b. 大功率NPC逆變器

對于中心點鉗位三電平拓撲結構（NPC），相對于三相全橋電路，它的優點就是有效降低了開關損耗，適合于高頻應用。但是NPC拓撲直流母線有三個電壓端子（DC+， GND， DC-），要想在三個端子之間都保證低寄生電感很困難。高寄生電感又會削弱這個拓撲結構的優勢。新型的低寄生電感模塊有效地解決了這個問題，為NPC拓撲結構應用到大功率裝置，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

在大多數電力電子裝置應用中，保證直流母線環路低寄生電感就可以有效解決關斷過電壓的問題。但是對于比較復雜的拓撲結構，如矩陣逆變器，由于系統中沒有直流母線，就必須保證開關回路包括開關器件，輸入端子和輸出端子回路的低寄生電感。

6． 結論

對于大功率電力電子設備，如何進一步降低功率模塊內的寄生電感一直是個難題。過高的寄生電感增加了開關損耗，限制了開關頻率的提高。關斷過程中的過電壓也給系統穩定性造成傷害。通過實驗驗證，可以看到本文闡述的理念 – 利用現有標準大功率模塊，給模塊提供兩條回路，一個為螺栓連接的低電阻回路，另一個為通過PCB連接的低寄生電感回路可以有效降低大功率模塊內的寄生電感，為大功率電力電子應用開辟了一條新的路徑。

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