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中国电源学会第二十届学术年会论文集 低寄生电感 IGBT功率模块的设计及测试 朱楠，陈敏，徐德鸿 （浙江大学电气工程学院，杭州 310027 ） Email ：zhunan_zju@ 摘 要 本文从降低功率模块内部寄生电感的角度，提出了功率模块布局设计的原则，并据此原则设计 了一种寄生电感较小的半桥 IGBT 功率模块。然后根据此布局设计制作出了模块实物，进行动态特性测试。 仿真和实验测试结果验证了新的模块布局结构具有较小的寄生电感。 关键词 功率模块，布局设计，寄生电感，动态特性测试 1．引言 IGBT 功率模块是大功率电力电子系统的重要组成部分。IGBT 功率模块的性能和可靠性影响 着电力电子系统的性能和安全运行。IGBT 功率模块内部的寄生电感是影响功率模块可靠性的关键 因素之一。IGBT 器件在关断时，寄生电感上储存的能量会在开关器件上造成电压过冲，还会与器 件的寄生电容产生振荡。此外，模块内部的寄生电感不能通过并联吸收电容来补偿。因此，不合适 的功率模块布局设计会造成严重的器件关断电压过冲以及电磁干扰（EMI ）问题，并且会影响器件 的开关损耗，严重影响器件的性能和安全工作。随着近年来功率器件技术的不断发展，器件的开关 速度不断加快，以上问题愈发严重。 功率模块内部的寄生电感主要由以下几部分引入[1]：①功率端子；②DBC 上表面的覆铜层； ③绑定线。前人在改进功率模块布局减小寄生电感上做了很多工作[2-4] 。文献[2]提出了一种自动 化的模块布局优化方法，但所应用的模块拓扑比较简单，对于复杂电路结构的布局优化可能仍需要 人工分析。文献[3, 4]提出了利用模块工作时实际的换流器件组成基本开关单元，减小换流回路电 感，从而减小模块等效寄生电感的方法。 本文在分析模块内部寄生电感产生的物理原理及其如何影响器件开关特性的基础上得出了低 寄生电感功率模块的布局设计原则。并据此原则，对一个 1200V/100A 半桥 IGBT 智能功率模块 （IPM ）的功率部分布局进行设计。制作出IGBT 模块的实物，进行动态特性测试，验证新的模块 布局结构具有较小的寄生电感。 国家863 计划资助项目 “适用于大容量电源的快速IGBT 器件和智能模块的研制”，编号：（2012AA053601 ） 浙江省重点科技创新团队项目，计划编号：（2010R50021 ） · 76 · 中国电源学会第二十届学术年会论文集 2 ．低寄生电感模块的设计 2.1 低感模块的设计原则 本节将以某公司的1200V/100A IGBT 半 桥模块为例，对其布局进行分析，给出能够 降低寄生电感的布局原则。图1 所示的即为 该模块布局图，同时还给出了模块的集总参 数等效电路，这里为清楚起见，只画出了各 局部自感，局部互感从略。 2.1.1 找出关键换流路径 图 1(b)所示的是考虑了模块内部各部分 寄生电感的半桥IGBT 模块的等效电路图。 （a ） （b ） 其中Llead1, Llead2, Llead3 分别是正、负和输出功 图1 （a ）IGBT 模块布局图；（b ）模块等效电路 率端子的寄生电感，LC1, LE1 , La1, Lk1, LC2, LE2 , La2, Lk2 , Ltrace 是 IGBT 及二极管绑定线和 DBC 铜皮的寄生电感。在感性负载下，当负 载电流方向为由输出端向外时，电流在上桥臂IGBT T1 和下桥臂二极管D2 之间换流。图1 中蓝线 标出的是上桥臂IGBT T1 导通时的电流走向，红线标出的是T1 关断时的电流走向，可以看到换流 前后的载流路径有一部分发生了重叠。 IGBT 关断过程中，换流前后载流路径重叠的部分 （Ltrace, Llead3 ）电流不会发生突变，不会对 IGBT 关断电压过冲产生影响。而换流前后不重叠的载流路径 （Llead1, Llead2, LC1, LE1 , La2, Lk2 ）上的 电流会发生突变，在其寄生电感上感应出电压，加在IGBT 上造成关断电压过冲。