如何测量功率回路中的杂散电感

 

影响IGBT和SiC MOSFET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。

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550nH，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200mm长的叠层母排，假设宽度为100mm，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. 

IGBT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62mm半桥模块的寄生电感，约为20nH。
 

 

表1 62mm 半桥模块的寄生电感

 

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IGBT CE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。

 

图2 IGBT的RBSOA曲线

 

 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15-40nH 之间。

 

注：EPCOS PCC_HP_High_Power_Capacitors_for_Heavy_Duty_Applications

图3 大功率直流母线电容数据表

 

 

 

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：

（1）

 

从而推导寄生电感的表达式为：
 

（2）

 

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IGBT CE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IGBT 62mm模块为例，展示具体操作细节如下：

 

将待测62mm IGBT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Infineon 62mm模块的双脉冲测试结果。

 

(a)62mm IGBT模块主功率测试回路

  (b)62mm IGBT模块测试电路示意图

图4 62mm IGBT模块内部寄生电感测试方法

 

(a)关断时刻 

(b)开通时刻

图5 62mm IGBT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dic/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，其中集电极电流的上升产生了电流变化率diF/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两端电压方向相反，导致集-射极电压波形出现电压降ΔVce。

 

以图5(b)为例，其中，

 

从而根据式(1)可以算出相应的寄生电感数值，

 

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；在主端子测试出的寄生电感包括图6中的a+c部分，不包含IGBT模块内部的杂散电感。

 

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。