作者：英飛凌工業半導體 方潔
影響IGBT和SiC MOSFET在系統中的動態特性有兩個非常重要的參數：寄生電感和寄生電容。而本文主要介紹功率迴路中寄生電感的定義和測試方法，包括直流母線電容的寄生電感，直流母排寄生電感以及模塊本身的寄生電感。
功率電路寄生電感在哪裡？
圖1給出了半橋電路中不同位置寄生電感示意圖，主要包括三類：連接母排及功率迴路中的寄生電感，IGBT模塊內部寄生電感，直流母線電容寄生電感，分別如下圖中a、b、c所示。
1. 連接母排以及功率迴路中的寄生電感
連接母排以及功率迴路中的寄生電感，如圖1中a位置所示。對於功率模塊中常見的連接母排主要包括並行母排和疊層母排。寄生電感取決於母排的寬度與間距之比，並行母排每米的寄生電感可高達550nH，而疊層母排可以實現非常低的寄生電感，所以在大電流的IGBT、碳化矽功率迴路設計更推薦使用疊層母排。一個200mm長的疊層母排，假設寬度為100mm，它的絕緣層厚度可以做到0.5毫米，這時寄生電感可以做到個位數量級。
2. IGBT模塊本身也存在寄生電感
IGBT模塊本身也存在寄生電感，主要包括內部鍵合線、 DCB和覆銅層以及其接線端子之間迴路包圍的面積，如圖1中b位置所示。IGBT模塊本身的寄生電感對不同的拓撲定義不同，其數值與封裝也有關係，往往在數據表中會給出，如下表1所示，是一個62mm半橋模塊的寄生電感，約為20nH。
當IGBT關斷時，變化的電流di/dt會在迴路寄生電感上產生電壓，這個感應電壓會疊加在母線電壓上，使得IGBT CE之間出現一個電壓尖峰。因為有模塊內部寄生電感的存在，IGBT晶片實際承受的電壓大於在模塊主端子上測得的電壓，因此部分模塊在定義RBSOA曲線時，會分別給出晶片級和模塊級的曲線，模塊級的RBSOA曲線會低於晶片級曲線，如圖2所示。更多詳細信息可參考《IGBT安全工作區知多少》。
3. 直流母線電容以及相應引腳處的寄生電感
直流母線電容以及相應引腳處的寄生電感，如圖1中c位置所示。圖3給出大功率電力電子線路用的直流母線電容的數據表，寄生電感在15-40nH 之間。
電感的測試原理
下面來分析寄生電感測量方法的基本原理：變化的電流流經電感會產生電壓降，di/dt和電感上產生的電壓降滿足公式：
從而推導寄生電感的表達式為：
我們上面列舉的三類電感，均可以測量不同端子兩端的電壓和電流計算。在IGBT應用中，我們重視整體功率迴路電感對IGBT CE極間電壓的影響，因此測試時會把電壓探頭的表筆，夾在IGBT模塊CE端子之間。這裡以測試IGBT 62mm模塊為例，展示具體操作細節如下：
影響IGBT和SiC MOSFET在系統中的動態特性有兩個非常重要的參數：寄生電感和寄生電容。而本文主要介紹功率迴路中寄生電感的定義和測試方法，包括直流母線電容的寄生電感，直流母排寄生電感以及模塊本身的寄生電感。
功率電路寄生電感在哪裡？
圖1給出了半橋電路中不同位置寄生電感示意圖，主要包括三類：連接母排及功率迴路中的寄生電感，IGBT模塊內部寄生電感，直流母線電容寄生電感，分別如下圖中a、b、c所示。
1. 連接母排以及功率迴路中的寄生電感
連接母排以及功率迴路中的寄生電感，如圖1中a位置所示。對於功率模塊中常見的連接母排主要包括並行母排和疊層母排。寄生電感取決於母排的寬度與間距之比，並行母排每米的寄生電感可高達550nH，而疊層母排可以實現非常低的寄生電感，所以在大電流的IGBT、碳化矽功率迴路設計更推薦使用疊層母排。一個200mm長的疊層母排，假設寬度為100mm，它的絕緣層厚度可以做到0.5毫米，這時寄生電感可以做到個位數量級。
2. IGBT模塊本身也存在寄生電感
IGBT模塊本身也存在寄生電感，主要包括內部鍵合線、 DCB和覆銅層以及其接線端子之間迴路包圍的面積，如圖1中b位置所示。IGBT模塊本身的寄生電感對不同的拓撲定義不同，其數值與封裝也有關係，往往在數據表中會給出，如下表1所示，是一個62mm半橋模塊的寄生電感，約為20nH。
當IGBT關斷時，變化的電流di/dt會在迴路寄生電感上產生電壓，這個感應電壓會疊加在母線電壓上，使得IGBT CE之間出現一個電壓尖峰。因為有模塊內部寄生電感的存在，IGBT晶片實際承受的電壓大於在模塊主端子上測得的電壓，因此部分模塊在定義RBSOA曲線時，會分別給出晶片級和模塊級的曲線，模塊級的RBSOA曲線會低於晶片級曲線，如圖2所示。更多詳細信息可參考《IGBT安全工作區知多少》。
3. 直流母線電容以及相應引腳處的寄生電感
直流母線電容以及相應引腳處的寄生電感，如圖1中c位置所示。圖3給出大功率電力電子線路用的直流母線電容的數據表，寄生電感在15-40nH 之間。
電感的測試原理
下面來分析寄生電感測量方法的基本原理：變化的電流流經電感會產生電壓降，di/dt和電感上產生的電壓降滿足公式：
從而推導寄生電感的表達式為：
我們上面列舉的三類電感，均可以測量不同端子兩端的電壓和電流計算。在IGBT應用中，我們重視整體功率迴路電感對IGBT CE極間電壓的影響，因此測試時會把電壓探頭的表筆，夾在IGBT模塊CE端子之間。這裡以測試IGBT 62mm模塊為例，展示具體操作細節如下：
將待測62mm IGBT模塊串聯接入雙脈衝半橋測試迴路中，同時保持上管常關，下管給定雙脈衝驅動信號，將電壓差分探頭連接在圖4(a)中b1和b2兩點之間，使用電流探頭測試流經下管的Ic電流，實測模塊以及探頭放置位置如圖4(b)所示，同時圖5也給出了Infineon 62mm模塊的雙脈衝測試結果。
在開通瞬態和關斷瞬態，雜散電感上都會產生電壓降，那麼究竟是選擇開通還是關斷過程來計算雜感值呢？對於關斷過程中產生的Vce電壓尖峰主要包含雜散電感上的電壓和二極體的正向恢復電壓，如圖5(a)所示，且IGBT的關斷dic/dt不太受門極控制，且電壓尖峰持續時間比較短，測量精度相對不高。而對於IGBT的開通暫態下這些情況均不會存在，故實際情況下通常選擇開通暫態來進行測量寄生電感，如圖5(b)所示，其中集電極電流的上升產生了電流變化率diF/dt，同時由於換流通路中的雜散電感兩端電壓方向與開關管Vce兩端電壓方向相反，導致集-射極電壓波形出現電壓降ΔVce。
以圖5(b)為例，
其中，從而根據式(1)可以算出相應的寄生電感數值，
由於實際IGBT模塊是包括有輔助端子和無輔助端子兩種，測試中包含的雜散電感也不太相同，在輔助端子測試出的寄生電感包括圖6中的a+b+c部分；在主端子測試出的寄生電感包括圖6中的a+c部分，不包含IGBT模塊內部的雜散電感。
本文介紹了雜散電感的定義及測量方法。寄生電感的存在會IGBT增加關斷損耗和關斷電壓尖峰，引起震盪等諸多問題，所以實際應用中還需要儘可能地減小迴路雜散電感。
參考閱讀
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