新型低寄生电感模块的设计

图5为低寄生电感模块样品。


图5： 测试样品 （三个半桥模块通过低寄生电感回路连接到滤波电容上）

接下来会对其进行寄生电感和关断电压尖峰测试来验证设计的效果。测试包括三个步骤：
?   标准模块寄生电感测试
?   具有低寄生电感回路，但主PCB上没有滤波电容的测试
?   具有低寄生电感回路，有薄膜电容电路测试

3．1 标准模块寄生电感测试
       首先对600V 400A的标准模块flowSCREW2进行了测试，如图6。其中横坐标为时间，众坐标为以百分比标示的各个电气参数。蓝色线为集电极发射极之间的电压，100%对应350V；粉红色线对应集电极电流，100%对应700A；黄色线对应门极驱动电压，100%对应15V。


图6： 标准模块关断波形测试（没有低寄生电感回路）

       从图中可以看到，在尖峰电流为700A (25C)时，关断电压尖峰达到了370V。即使直流母线电压降到300V，670V的电压尖峰也已经超过IGBT允许的最大电压。通过计算，可以得到标准模块直流回路的寄生电感大约为22nH。

3．2具有低寄生电感回路，但主PCB上没有滤波电容的测试
       同样是600V 400A的模块，但是配置了低寄生电感回路，如图7。


图7： 模块关断波形测试（有低寄生电感回路，但没有滤波电容）

       模块工作条件为直流母线电压为350V，开关尖峰电流为720A(25C)。从图中可以看到电压尖峰为250V，通过计算可以得到模块的寄生电感大约为16nH，下降了大约27%，说明低寄生电感回路的确起作用了。

3．3具有低寄生电感回路，有滤波电容电路测试
       测试条件同上，从图8所示，可以看到此时电压尖峰进一步下降到190V，通过计算，等效寄生电感为7nH。相对于标准模块下降了68%。这就使得功率器件开关速度可以提高68%，这将会大大降低半导体器件的开关损耗，提高系统效率。这也为大功率模块高频化的实现提供了途径。


图8： 模块关断波形测试（有低寄生电感回路，有滤波电容）

4． 下一步的研究重点
       下一步的研究方向主要是通过低寄生电感回路的并联，来进一步降低模块内部的寄生电感。通过这种方法，每个IGBT芯片将共用低寄生电感回路。也就是说对每个芯片而言，回路寄生参数是类似的。芯片之间的动态均流效果将会非常好，这也从一定程度上降低了芯片并联需要降额的要求。图9为根据这个理念做的模块，新模块设计目标是相对于flowSCREW封装，在电流等级提高一倍的基础上，把寄生电感进一步下降到5nH以下。


图9 新型大功率模块封装图

5． 低寄生电感模块的应用
低寄生电感大功率模块的实现为高频高效大功率应用以及新的拓扑结构提供了可能：
a.    高频大功率应用
低寄生电感模块有效的降低了开关损耗，提高了开关频率。开关频率的提高可以有效降低大功率设备的体积和重量。

b.    大功率NPC逆变器
对于中心点钳位三电平拓扑结构(NPC)，相对于三相全桥电路，它的优点就是有效降低了开关损耗，适合于高频应用。但是NPC拓扑直流母线有三个电压端子(DC+, GND, DC-),要想在三个端子之间都保证低寄生电感很困难。高寄生电感又会削弱这个拓扑结构的优势。新型的低寄生电感模块有效地解决了这个问题，为NPC拓扑结构应用到大功率装置，如UPS，光伏逆变器，有源电力滤波器(APF)等铺平了道路。
c.    矩阵逆变器
在大多数电力电子装置应用中，保证直流母线环路低寄生电感就可以有效解决关断过电压的问题。但是对于比较复杂的拓扑结构，如矩阵逆变器，由于系统中没有直流母线，就必须保证开关回路包括开关器件，输入端子和输出端子回路的低寄生电感。

6． 结论
       对于大功率电力电子设备，如何进一步降低功率模块内的寄生电感一直是个难题。过高的寄生电感增加了开关损耗，限制了开关频率的提高。关断过程中的过电压也给系统稳定性造成伤害。通过实验验证，可以看到本文阐述的理念 – 利用现有标准大功率模块，给模块提供两条回路，一个为螺栓连接的低电阻回路，另一个为通过PCB连接的低寄生电感回路可以有效降低大功率模块内的寄生电感，为大功率电力电子应用开辟了一条新的路径。