新型低寄生电感模块的设计

摘要: 寄生电感一直以来都是电力电子器件应用中需要克服的主要难题，尤其是对于高频和大功率应用场合。模块内部的寄生电感会造成关断过程中的过电压，寄生参数会造成模块开关过程中的波形震荡，从而增加了电磁干扰和关断损耗。功率模块厂家做了很多研究试验去努力降低它，现在比较流行的方法是把叠层直流母线引入到模块内部，但相对来说机械结构比较复杂，而且成本较高，体积也较大。本文阐述了一种新的基于现有标准模块封装，通过为瞬时电流提供一条额外的超低寄生电感回路，真正实现了功率模块的低寄生电感设计，为大功率高频应用的实现提供了可能性。
1. 模块内部寄生电感的影响
       在关断IGBT过程中，IGBT电流急剧变化，由于有寄生电感的存在，会在IGBT上产生电压尖峰 Vce(peak) = Vce + L * di/dt，如图1所示。


图1: 关断尖峰电压

       电压尖峰增加了IGBT过电压的风险，在某些应用场合，尤其是对于大功率应用，高开关速度情况下，需要使用更大电压等级的IGBT，这无疑会增加器件的静态损耗和器件成本；另外电压尖峰及其导致的波形震荡还会带来额外的关断损耗，这都会导致系统效率的下降和成本的增加。
       在
一个可接受的效率状况下，可以说寄生电感的存在限制了开关频率的进一步提高，限制了高频化的应用；另外关断过程中的电压尖峰不仅和寄生电感大小成正比，它
还和开关电流的变化率成正比。这就意味着对于大功率模块，由于开关电流比较大，它就需要更加低电感的设计。例如对于100A/700V（1200V
IGBT）的应用，回路中寄生电感10nH是可以接受的，那么对于较大功率的应用，例如500A/700V (1200V
IGBT)，为了取得同样的开关效果，回路中的寄生电感必须降到2nH。但是现实情况正好相反，对于大功率模块，为了降低回路中的等效电阻，需要使用更大
面积的直流母排和螺栓端子，而这又进一步增加了回路中的寄生电感。因此，对于大功率模块的应用，现在更多的设计是通过降低模块的关断速度（如使用更大的驱
动电阻或者使用较慢开关速度的芯片）从而降低di/dt，来达到控制关断电压尖峰的目的。但这无疑增加了模块的开关损耗，这也是为什么现在大功率电力电子
装置中，开关频率普遍提高不上去的原因。

2． 新型大功率模块低寄生电感设计方法
      如前文所述，大功率模块回路需要流过大电流，为了保持回路中的低等效电阻，必须使用面积较宽的走线，而这就会增加回路中的寄生电感，这个矛盾是客观存在的。为了解决这个矛盾，必须设法把两个回路解耦。对应的策略就是在保持大电流低电阻回路的基础上，额外为IGBT开关过程增加一个低寄生电感回路，如图2所示。实线回路为稳态大电流回路，由于走线很宽，等效电阻很小，但是由于环路面积很大，等效寄生电感较大。而虚线回路为瞬态大电流回路，只有在开关过程中，也就是di/dt比较大的时候，电流才会从这个回路走，时间一般只有几百纳秒，线路不会有很大的热量，所以这个回路可以设计得非常小，从而实现低等效寄生电感。


图2： 功率模块双回路设计理念

2．1 设计目标
       现在的设计目标就是在现有标准功率模块的基础上，在保持低电阻回路前提下，设计出额外的低寄生电感回路。方向有两个：
?   利用叠层走线降低寄生电感，例如PCB双层走线，使用薄膜电容等；
?   多个电感回路并联使用，从而降低寄生电感。最佳的布线就是直流母线正负端子交替排列并互相靠近。

2．2 设计思路
如下图3和4，flowSCREW为大功率标准模块。


图3：基于标准模块flowSCREW的低寄生电感回路


图4： 模块内部的PCB桥

       图中绿色的PCB桥就是为瞬时电流提供的低寄生电感回路。它位于两个DCB之间。PCB上的直流母线是叠层设计的，也就是说每层直流母线正端都会在PCB隔层设计为直流母线负端。模块内部的PCB桥通过PCB引脚和模块外部的主PCB连接。不过为了保持间隙距离和爬电距离，DC+和DC-引脚需要保持足够的距离。如果不采取措施，这两个引脚之间也会产生等效寄生电感。由于模块外部引脚电流是从不同的引脚间流过，所以没办法通过工作电流来补偿寄生电感。但是在PCB引脚内部，通过布置相反极性的电压，例如在直流母线正端引脚内部布置了直流母线负端走线，这也能显著抑制了寄生电感的产生。低寄生电感回路通过外部的主PCB和1.2uF的薄膜电容相连。

3．     测试与验证