如何测量功率回路中的杂散电感.pdf

THEWORLDOFINVERTERS变频器世界March2024前沿技术如何测量功率回路中的杂散电感英飞凌工业半导体方洁影响IGBT和SiCMOSFET在系统中的动态特性有两个非常重要的参数：寄生电感和寄生电容。而本文主要介绍功率回路中寄生电感的定义和测试方法，包括直流母线电容的寄生电感，直流母排寄生电感以及模块本身的寄生电感。功率电路寄生电感在哪里？图1 给出了半桥电路中不同位置寄生电感示意图，主要包括三类：连接母排及功率回路中的寄生电感，IGBT模块内部寄生电感，直流母线电容寄生电感，分别如下图中a、b、c 所示。CHnLHKDUT图1 半桥电路中三类寄生电感位置示意图1、连接母排以及功率回路中的寄生电感连接母排以及功率回路中的寄生电感，如图1 中a位置所示。对于功率模块中常见的连接母排主要包括并行母排和叠层母排。寄生电感取决于母排的宽度与间距之比，并行母排每米的寄生电感可高达550 nH，而叠层母排可以实现非常低的寄生电感，所以在大电流的IGBT、碳化硅功率回路设计更推荐使用叠层母排。一个2 0 0 mm长的叠层母排，假设宽度为1 0 0 mm，它的绝缘层厚度可以做到0.5毫米，这时寄生电感可以做到个位数量级。2、I G B T 模块本身也存在寄生电感IGBT模块本身也存在寄生电感，主要包括内部键合线、DCB和覆铜层以及其接线端子之间回路包围的面积，如图1 中b位置所示。IGBT模块本身的寄生电感对不同的拓扑定义不同，其数值与封装也有关系，往往在数据表中会给出，如下表1 所示，是一个6 2 mm半桥模块的寄生电感，约为2 0 nH。表1 6 2 mm半桥模块的寄生电感aTable 2ParameterStray inductancemodulebIGBTCE之间出现一个电压尖峰。因为有模块内部寄生电感的存在，IGBT芯片实际承受的电压大于在模块主端子上测得的电压，因此部分模块在定义RBSOA曲线时，会分别给出芯片级和模块级的曲线，模块级的RBSOA曲线会低于芯片级曲线，如图2 所示。Reverse bias safeoperating area(RBSOA),IGBT,InverterIc=f(VcE)RGof=0.51 2,VGE=15 V,Tvj=1752000-1800-1600140012003100800600400-200图2 IGBT的RBSOA曲线CharacteristicvaluessymbolNoteortest conditionLsCE当IGBT关断时，变化的电流di/dt会在回路寄生电感上产生电压，这个感应电压会叠加在母线电压上，使得1.Modul1.chip200400600800100012001400ValuesMin.Typ.Max.20nHUnitWWW.CA168.COM29电力电子专栏Rated voltageRatedcapacitanceToleranceRatedenergyRatedcurrentInductanceDielectriclossDielectricRatedrms currentOperatingtemperature range(lower/uppercategory)HumidityclassMax.altitudeCoolingUNCnACNWNINLselftando一INrmsLCT/UCTHel(注:EPCOS PCC_HP_High_Power_Capacitors_for_Heavy_Duty_Applications)M(900to6000Vac),ref.table)uF(10000f,inquirefordifferent ratings),ref.table)%10%or5%Ws500to3500WsA(.300A);dependingoncapacitanceandterminalnH15to40nH2*10-4Polypropyleneorpolyester(structured)Armsupto300ATAMBOPER=-40CtO+85C%ClassC;95%mean relativehumiditym4000ma.s.l.Naturalorforced图3 大功率直流母线电容数据表3、直流母线电容以及相应引脚处的寄生电感直流母线电容以及相应引脚处的寄生电感，如图1 中c位置所示。图3 给出大功率电力电子线路用的直流母线电容的数据表，寄生电感在1 5-40 nH之间。电感的测试原理下面来分析寄生电感测量方法的基本原理：变化的电流流经电感会产生电压降，di/dt和电感上产生的电压降满足公式：di=4VSdt从而推导寄生电感的表达式为：Ls=ai/at4V我们上面列举的三类电感，均可以测量不同端子两端的电压和电流计算。在IGBT应用中，我们重视整体功率回路电感对IGBTCE极间电压的影响，因此测试时会把电压探头的表笔，夹在IGBT模块CE端子之间。这里以测试IGBT62mm模块为例，展示具体操作细节如下：将待测6 2 mmIGBT模块串联接入双脉冲半桥测试回路中，同时保持上管常关，下管给定双脉冲驱动信号，将电压差分探头连接在图4(a)中b1和b2两点之间，使用电流探头测试流经下管的Ic电流，实测模块以及探头放置位置如图4(b)所示，同时图5也给出了Infineon62mm模块的双脉冲测试结果。CHnLGoH3EQDUTb2(1)(a)62mmIGBT模块主功率测试回路(2)VcE(b)62mmIGBT模块测试电路示意图图46 2 mmIGBT模块内部寄生电感测试方法ab30THEWORLDOF INVERTERSTHEWORLDOFINVERTERS变频器世界March2024流的上升产生了电流变化率di,/dt，同时由于换流通路中的杂散电感两端电压方向与开关管Vce两端电压方向相iVce_spike反，导致集-射极电压波形出现电压降Vce。以图5(b)为例，其中，geceV c e=1 6 4Vdic/dt=3.864A/ns从而根据式(1)可以算出相应的寄生电感数值，(a)关断时刻￥4V c edildtAVcedi/dt 3.864A/ns由于实际IGBT模块是包括有辅助端子和无辅助端子两种，测试中包含的杂散电感也不太相同，在辅助端子测试出的寄生电感包括图6 中的a+b+c部分；在主端子测ge试出的寄生电感包括图6 中的a+c部分，不包含IGBT模块ce164V=42.44nH内部的杂散电感。a(b)开通时刻C图56 2 mmIGBT模块的开通和关断测试波形在开通瞬态和关断瞬态，杂散电感上都会产生电压降，那么究竟是选择开通还是关断过程来计算杂感值呢？对于关断过程中产生的Vce电压尖峰主要包含杂散电感上的电压和二极管的正向恢复电压，如图5(a)所示，且IGBT的关断di/dt不太受门极控制，且电压尖峰持续时间比较短，测量精度相对不高。而对于IGBT的开通暂态下这些情况均不会存在，故实际情况下通常选择开通暂态来进行测量寄生电感，如图5(b)所示，其中集电极电b辅助端子主端子测量点+测量点DUT图6 IGBT模块寄生电感示意图本文介绍了杂散电感的定义及测量方法。寄生电感的存在会使IGBT增加关断损耗和关断电压尖峰，引起震荡等诸多问题，所以实际应用中还需要尽可能地减小回路杂散电感。WWW.CA168.COM31