一种低寄生电感IGBT半桥模块*

谷彤，程士东，郭清，周伟成，盛况

（浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027）

0 引言

大容量IGBT功率模块是电力电子换流装置中重要的组成部件，在直流换直流、直流换交流、交流换直流、交流换交流过程中起着核心的作用，广泛应用于新能源发电、高压直流输电、电动汽车、机电一体化等领域［1］。对于高压大容量IGBT功率模块，寄生电感是一项非常重要的性能参数。IGBT是电压控制型半导体开关器件，开通和关断速度快，在快速的关断过程中，开关器件承受的电压和电流迅速变化，通态电流急速下降，会产生较大的电流变化率［2］。在该关断暂态过程中，模块内部各种导电路径的寄生电感不可忽略，寄生电感与电流变化率共同作用下会产生电压过冲。电压过冲施加在IGBT芯片上，增加了芯片的电压应力，增大了对芯片的耐压等级要求。过电压影响装置EMC性能，增加器件开关损耗，降低换流电路工作效率［3］。这种现象在高频和大电流场合尤为明显。因此，着力于减小模块寄生电感是很有必要的。

目前，国内外对寄生电感的研究主要集中在实用电路拓扑层面，对功率模块内部寄生电感的研究较少，主要包括两方面：一方面是使用有限元软件对模块进行三维建模，仿真提取模块的寄生电感值［4-5］；另一方面是在模块内部增加高频解耦电路，减小过电压的产生［6］。对模块内部的芯片进行合理布局是减小寄生电感的一条重要途径，并且在改善电性能的同时几乎不影响模块的散热性能及可靠性。功率模块一般采用芯片层—焊锡层—DBC（direct bonding copper）板层—焊锡层—基板层—散热器组成的多层堆叠结构。模块工作时产生热量的散发路径由各层材料的导热系数决定，热仿真分析说明绝大部分热量通过多层堆叠结构向下传递到散热器散失到环境中，芯片的间距变化造成的热耦合对散热影响不大，可以忽略［7］。模块的可靠性主要由各层之间的接触面积、各层厚度及各层材料的热膨胀系数匹配度决定［8-9］。芯片布局的改变并未改变模块的多层结构及各层的材料特性，所以可以保证散热性能和可靠性几乎不受影响。

考虑到IGBT半桥模块的工作方式，本研究对传统商用型IGBT半桥模块的芯片布局进行优化设计，搭建测试电路对新旧模块进行测试。

1 IGBT半桥模块的寄生电感模型

IGBT半桥模块的电路拓扑包括上桥臂和下桥臂两部分，每部分各包含1个IGBT单元及其对应的续流二极管单元。上桥臂IGBT的发射极与下桥臂IGBT的集电极连接在一起，上桥臂IGBT的集电极、下桥臂IGBT的集电极和发射极分别有端子支架引出供外电路连接。芯片极与极之间的连接路径与模块各端子的引出路径均存在寄生电感。IGBT半桥模块的寄生电感模型如图1所示。当有变化的电流通过导电路径时，变化的电流引起穿过导电路径的磁通发生变化，由电磁感应定律可知，变化的磁通将在导电路径中感应出电动势。由基尔霍夫电压定律分析可知，该感应电动势增加了芯片的电压应力。

2 低寄生电感IGBT半桥模块的研究

图1 IGBT半桥模块的寄生电感模型

目前，功率器件与模块的封装普遍采用引线键合的互连方式与平面封装技术［10］。功率器件芯片焊接在导电基底上，通过使用键合技术引出芯片电极引线，与基底覆铜实现电气连接，基底通过绝缘层连接到散热器，端子支架从基底引出，起支撑作用，供外部电路连接使用。传统商用型IGBT半桥模块的三维结构图如图2所示。该结构图以SEMIKRON公司的IGBT半桥模块SKM100GB128D（1 200 V，100 A）为原型。其中，上桥臂二极管芯片D1与下桥臂二极管芯片D2焊接在DBC板的中部位置，上桥臂IGBT芯片T1与下桥臂IGBT芯片T2焊接在二极管芯片的两侧，上桥臂IGBT的集电极C1、上桥臂IGBT的发射极E1、下桥臂IGBT的发射极E2分别有端子支架引出。IGBT芯片发射极与二极管芯片阳极有邦定线引出，连接到相应DBC板上铜层。模块的整体尺寸是94 mm×34 mm×30.5 mm。研究含有支架C1、芯片D1、芯片T2、支架E2的换流通路的寄生电感Lh。其计算公式为：

式中：LA—C1至D1的寄生电感，LB—D1至T2的寄生电感，LC—T2至E2的寄生电感。

图2 传统型IGBT半桥模块结构图

IGBT半桥模块工作回路图如图3所示，IGBT半桥模块在电力电子电路中工作时，上桥臂二极管芯片D1与下桥臂IGBT芯片T2工作在一个换流回路中，如图3中回路1所示。上桥臂IGBT芯片T1与下桥臂二极管芯片D2工作在另一个换流回路中，如图3中回路2所示。换流回路越长，回路面积越大，线路引起的寄生电感值越大，IGBT芯片承受的关断过电压越严重。

图3 IGBT半桥模块工作回路图

基于对开关过程及回路的以上理解，为了减小模块内部引起的寄生电感，本研究提出了一种能够大幅度减小回路面积的优化方案，4种芯片需重新布局，并且重新布局可在模块中实现，设计出的新型IGBT半桥模块如图4所示。图4中，上桥臂二极管芯片D1与下桥臂IGBT芯片T2相邻放置，减小了回路1中模块内部换流通路的长度，从而减小了其引起的寄生电感。同理，上桥臂IGBT芯片T1与下桥臂二极管芯片D2也可相应放置。为了封装的兼容性，新模块的总体尺寸及3个支架的位置与传统模块保持一致。

图4 新型IGBT半桥模块结构图

3 模块制作

基于第2节的模块结构设计，笔者进行新型及传统型IGBT半桥模块的实物制作。第一步制作直接覆铜板DBC。DBC板是铜层与陶瓷基片通过键合工艺直接连接形成的超薄复合基板，一般使用上铜层、陶瓷绝缘层、下铜层3层结构。DBC板具有优良的电绝缘特性，高导热特性，结合力与机械应力强。DBC板铜层可以设计各种需要的电路图形，具有良好的载流能力。DBC板陶瓷层一般使用AL2O3或ALN等陶瓷材料，AL2O3与ALN绝缘强度高，导热特性好，化学性质稳定，阻断了电路与基板散热器的电气连接，并为芯片工作产生的热量提供良好的散热通道。DBC板广泛应用于大功率电力电子结构互连工艺中，典型IGBT模块使用不同材料构成的DBC板及基板时，各层的典型厚度如表1所示［11］。大部分商用化模块产品均采用该设计。

表1 3种不同DBC板及基板设计对应的IGBT模块内部各层厚度

当应用绝缘等级要求高时，可使用击穿场强较高的ALN作为陶瓷绝缘层或使用较厚的AL2O3绝缘层。要求模块有高可靠性时，可采用具有较低热膨胀系数的ALSiC材料制作基板，与其他材料更好地配合，改善热循环中的热应力分布。为制作新型及传统型IGBT半桥模块，笔者在DBC板制作厂家订制上铜层有电路图形的DBC板。其中，DBC板上铜层、陶瓷层、下铜层的厚度分别为0.3 mm、0.38 mm、0.3 mm。陶瓷层采用AL2O3制作。

制作好的DBC板、IGBT及二极管裸芯片、基板需要通过钎焊实现电气连接。焊接在实验室加热台完成，分为放置、加热、冷却3个步骤。本研究首先按照设计图的布局放置芯片及基板，并在需焊接处放置适量焊锡，然后利用加热台加热至焊锡完全融化，冷却即可。在焊接过程中要注意不要损伤裸芯片，焊接后使用清洗剂清洗助焊剂及芯片表面，保证下一步打邦定线的质量。

对于焊接在DBC板上的IGBT芯片及二极管芯片，需要制作电极引线以完成芯片间互连。目前，大功率IGBT模块普遍采用超声键合法引出电极邦定线，建立芯片间电连接。超声键合是在常温下利用超声机械振动使引线与金属面相互接触，摩擦产生的热量使金属之间分子扩散，从而实现引线与芯片焊盘及电路的连接［12］。新型模块与传统型模块邦定线的键合由模块生产公司代为制作完成。

邦定线键合完成后，本研究将端子支架焊接到相应DBC板上铜层位置。焊接支架时，笔者选用熔点相对较低的焊锡，防止加热时之前的焊接受到破坏。至此，模块内部所有电气连接均已完成。为了保证模块工作时的电气绝缘要求，本研究在模块内部存在电压差的部位之间灌注硅胶。硅胶击穿场强高，绝缘性能优于空气，并可防止芯片及电路受到机械、化学的危害。制作完成的传统型与新型IGBT半桥模块如图5、图6所示。

图5 制作完成的传统型模块照片

图6 制作完成的新型模块照片

4 电感测试与结果对比

模块制作完成后，本研究对模块进行实验测试。该实验搭建单脉冲测试电路，测量制作好的新型及传统型IGBT半桥模块的寄生电感值。实验中测量图3回路1中模块内部的寄生电感值，包含支架C1、芯片D1、芯片T2和支架E2。笔者将该通路的寄生电感分为3部分测量，分别为：支架C1到二极管芯片D1的阴极为LA段；二极管芯片D1的阳极到IGBT芯片T2的集电极为LB段；IGBT芯片T2的发射极到支架E2为LC段。测试电路如图7所示。

图7 测试电路

笔者设置母线电压30 V，IGBT门极施加单脉冲20 μs，外加电感为29 μH。使用Lecroy示波器（1 GHz带宽）获取IGBT关断过程中寄生电感的电压与电流波形，实验波形如图8所示。

图8 测试波形

寄生电感值利用以下公式计算得出：

式中：Δv，i—寄生电感的电压与电流。

基于该实验测试方法计算得出的各段寄生电感值已包含了各段之间产生的互感问题，故可将3段寄生电感值相加得到模块内部的总体寄生电感值。两模块寄生电感的计算结果及结果对比如表2所示。由实验结果可以看出，与传统型IGBT半桥模块相比，新型IGBT半桥模块的寄生电感减小了35%。其中，LB段由于主要分布于DBC板上铜层电路中，芯片在DBC板上的优化布局可使其大幅度减小。LA与LC段由于接口的限制，含有固定不变的端子支架，芯片的优化布局使其小幅度减小。若不考虑与传统商用型模块的封装兼容性问题，寄生电感值有进一步优化的空间。实验结果显示在封装兼容情况下，新设计已显示出较好的优化作用。

表2 实验结果

5 结束语

本研究结合IGBT半桥模块在电力电子电路开关过程及回路中的工作原理，优化了模块内部芯片的布局方式，研制出了具有新型结构的IGBT半桥模块。为了对新设计的效果进行评价，笔者制作了新型及传统商用型IGBT半桥模块，并进行公平比较。为了封装的兼容性，两模块的整体尺寸与支架保持一致。在此情况下，实验结果显示与传统型IGBT半桥模块相比，新型IGBT半桥模块的寄生电感减小了35%。

该优化方案使IGBT半桥模块的电性能得到了改善，并且几乎不影响模块的散热性能及可靠性。该优化方案对其他IGBT模块与各种功率模块也有较好的改进意义。

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