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摘要: 寄生電感一直以來都是電力電子器件應(yīng)用中需要克服的主要難題，尤其是對于高頻和大功率應(yīng)用場合。模塊內(nèi)部的寄生電感會造成關(guān)斷過程中的過電壓，寄生參數(shù)會造成模塊開關(guān)過程中的波形震蕩，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去努力降低它，現(xiàn)在比較流行的方法是把疊層直流母線引入到模塊內(nèi)部，但相對來說機(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，通過為瞬時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，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過程中，IGBT電流急劇變化，由于有寄生電感的存在，會在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過電壓的風(fēng)險，在某些應(yīng)用場合，尤其是對于大功率應(yīng)用，高開關(guān)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(tài)損耗和器件成本；另外電壓尖峰及其導(dǎo)致的波形震蕩還會帶來額外的關(guān)斷損耗，這都會導(dǎo)致系統(tǒng)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(guān)頻率的進(jìn)一步提高，限制了高頻化的應(yīng)用；另外關(guān)斷過程中的電壓尖峰不僅和寄生電感大小成正比，它 還和開關(guān)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(guān)電流比較大，它就需要更加低電感的設(shè)計。例如對于100A/700V（1200V IGBT）的應(yīng)用，回路中寄生電感10nH是可以接受的，那么對于較大功率的應(yīng)用，例如500A/700V (1200V IGBT)，為了取得同樣的開關(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，對于大功率模塊的應(yīng)用，現(xiàn)在更多的設(shè)計是通過降低模塊的關(guān)斷速度（如使用更大的驅(qū) 動電阻或者使用較慢開關(guān)速度的芯片）從而降低di/dt，來達(dá)到控制關(guān)斷電壓尖峰的目的。但這無疑增加了模塊的開關(guān)損耗，這也是為什么現(xiàn)在大功率電力電子 裝置中，開關(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(shè)法把兩個回路解耦。對應(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開關(guān)過程增加一個低寄生電感回路，如圖2所示。實(shí)線回路為穩(wěn)態(tài)大電流回路，由于走線很寬，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。而虛線回路為瞬態(tài)大電流回路，只有在開關(guān)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(shè)計得非常小，從而實(shí)現(xiàn)低等效寄生電感。 圖2： 功率模塊雙回路設(shè)計理念 2．1 設(shè)計目標(biāo) 現(xiàn)在的設(shè)計目標(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(lián)使用，從而降低寄生電感。最佳的布線就是直流母線正負(fù)端子交替排列并互相靠近。 2．2 設(shè)計思路 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(shè)計的，也就是說每層直流母線正端都會在PCB隔層設(shè)計為直流母線負(fù)端。模塊內(nèi)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(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，所以沒辦法通過工作電流來補(bǔ)償寄生電感。但是在PCB引腳內(nèi)部，通過布置相反極性的電壓，例如在直流母線正端引腳內(nèi)部布置了直流母線負(fù)端走線，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(jìn)行寄生電感和關(guān)斷電壓尖峰測試來驗證設(shè)計的效果。測試包括三個步驟： ? 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)模塊寄生電感測試 首先對600V 400A的標(biāo)準(zhǔn)模塊flowSCREW2進(jìn)行了測試，如圖6。其中橫坐標(biāo)為時間，眾坐標(biāo)為以百分比標(biāo)示的各個電氣參數(shù)。藍(lán)色線為集電極發(fā)射極之間的電壓，100%對應(yīng)350V；粉紅色線對應(yīng)集電極電流，100%對應(yīng)700A；黃色線對應(yīng)門極驅(qū)動電壓，100%對應(yīng)15V。 圖6： 標(biāo)準(zhǔn)模塊關(guān)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(guān)斷電壓尖峰達(dá)到了370V。即使直流母線電壓降到300V，670V的電壓尖峰也已經(jīng)超過IGBT允許的最大電壓。通過計算，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(guān)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(guān)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(jìn)一步下降到190V，通過計算，等效寄生電感為7nH。相對于標(biāo)準(zhǔn)模塊下降了68%。這就使得功率器件開關(guān)速度可以提高68%，這將會大大降低半導(dǎo)體器件的開關(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低寄生電感回路的并聯(lián)，來進(jìn)一步降低模塊內(nèi)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(shù)是類似的。芯片之間的動態(tài)均流效果將會非常好，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)這個理念做的模塊，新模塊設(shè)計目標(biāo)是相對于flowSCREW封裝，在電流等級提高一倍的基礎(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關(guān)損耗，提高了開關(guān)頻率。開關(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 對于中心點(diǎn)鉗位三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(NPC)，相對于三相全橋電路，它的優(yōu)點(diǎn)就是有效降低了開關(guān)損耗，適合于高頻應(yīng)用。但是NPC拓?fù)渲绷髂妇�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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。新型的低寄生電感模塊有效地解決了這個問題，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，保證直流母線環(huán)路低寄生電感就可以有效解決關(guān)斷過電壓的問題。但是對于比較復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如矩陣逆變器，由于系統(tǒng)中沒有直流母線，就必須保證開關(guān)回路包括開關(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難題。過高的寄生電感增加了開關(guān)損耗，限制了開關(guān)頻率的提高。關(guān)斷過程中的過電壓也給系統(tǒng)穩(wěn)定性造成傷害。通過實(shí)驗驗證，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(nèi)的寄生電感，為大功率電力電子應(yīng)用開辟了一條新的路徑。 |
