如何測量功率回路中的雜散電感

影響IGBT和SiC MOSFET在系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)特性有兩個(gè)非常重要的參數(shù)：寄生電感和寄生電容。而本文主要介紹功率回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里？

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：連接母排及功率回路中的寄生電感，IGBT模塊內(nèi)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。

圖1 半橋電路中三類寄生電感位置示意圖

1. 連接母排以及功率回路中的寄生電感

連接母排以及功率回路中的寄生電感，如圖1中a位置所示。對(duì)于功率模塊中常見的連接母排主要包括并行母排和疊層母排。寄生電感取決于母排的寬度與間距之比，并行母排每米的寄生電感可高達(dá)550nH，而疊層母排可以實(shí)現(xiàn)非常低的寄生電感，所以在大電流的IGBT、碳化硅功率回路設(shè)計(jì)更推薦使用疊層母排。一個(gè)200mm長的疊層母排，假設(shè)寬度為100mm，它的絕緣層厚度可以做到0.5毫米，這時(shí)寄生電感可以做到個(gè)位數(shù)量級(jí)。

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(nèi)部鍵合線、 DCB和覆銅層以及其接線端子之間回路包圍的面積，如圖1中b位置所示。IGBT模塊本身的寄生電感對(duì)不同的拓?fù)涠x不同，其數(shù)值與封裝也有關(guān)系，往往在數(shù)據(jù)表中會(huì)給出，如下表1所示，是一個(gè)62mm半橋模塊的寄生電感，約為20nH。

表1 62mm 半橋模塊的寄生電感

當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，變化的電流di/dt會(huì)在回路寄生電感上產(chǎn)生電壓，這個(gè)感應(yīng)電壓會(huì)疊加在母線電壓上，使得IGBT CE之間出現(xiàn)一個(gè)電壓尖峰。因?yàn)橛心K內(nèi)部寄生電感的存在，IGBT芯片實(shí)際承受的電壓大于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(shí)，會(huì)分別給出芯片級(jí)和模塊級(jí)的曲線，模塊級(jí)的RBSOA曲線會(huì)低于芯片級(jí)曲線，如圖2所示。更多詳細(xì)信息可參考《IGBT安全工作區(qū)知多少》。

圖2 IGBT的RBSOA曲線

3. 直流母線電容以及相應(yīng)引腳處的寄生電感

直流母線電容以及相應(yīng)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(shù)據(jù)表，寄生電感在15-40nH 之間。

圖3 大功率直流母線電容數(shù)據(jù)表

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(jīng)電感會(huì)產(chǎn)生電壓降，di/dt和電感上產(chǎn)生的電壓降滿足公式：

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(jì)算。在IGBT應(yīng)用中，我們重視整體功率回路電感對(duì)IGBT CE極間電壓的影響，因此測試時(shí)會(huì)把電壓探頭的表筆，夾在IGBT模塊CE端子之間。這里以測試IGBT 62mm模塊為例，展示具體操作細(xì)節(jié)如下：

將待測62mm IGBT模塊串聯(lián)接入雙脈沖半橋測試回路中，同時(shí)保持上管常關(guān)，下管給定雙脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將電壓差分探頭連接在圖4(a)中b1和b2兩點(diǎn)之間，使用電流探頭測試流經(jīng)下管的Ic電流，實(shí)測模塊以及探頭放置位置如圖4(b)所示，同時(shí)圖5也給出了Infineon 62mm模塊的雙脈沖測試結(jié)果。

圖4 62mm IGBT模塊內(nèi)部寄生電感測試方法

圖5 62mm IGBT模塊的開通和關(guān)斷測試波形

在開通瞬態(tài)和關(guān)斷瞬態(tài)，雜散電感上都會(huì)產(chǎn)生電壓降，那么究竟是選擇開通還是關(guān)斷過程來計(jì)算雜感值呢？對(duì)于關(guān)斷過程中產(chǎn)生的Vce電壓尖峰主要包含雜散電感上的電壓和二極管的正向恢復(fù)電壓，如圖5(a)所示，且IGBT的關(guān)斷dic/dt不太受門極控制，且電壓尖峰持續(xù)時(shí)間比較短，測量精度相對(duì)不高。而對(duì)于IGBT的開通暫態(tài)下這些情況均不會(huì)存在，故實(shí)際情況下通常選擇開通暫態(tài)來進(jìn)行測量寄生電感，如圖5(b)所示，其中集電極電流的上升產(chǎn)生了電流變化率diF/dt，同時(shí)由于換流通路中的雜散電感兩端電壓方向與開關(guān)管Vce兩端電壓方向相反，導(dǎo)致集-射極電壓波形出現(xiàn)電壓降ΔVce。

以圖5(b)為例，其中，

由于實(shí)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(nèi)部的雜散電感。

圖6 IGBT模塊寄生電感示意圖

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(huì)IGBT增加關(guān)斷損耗和關(guān)斷電壓尖峰，引起震蕩等諸多問題，所以實(shí)際應(yīng)用中還需要盡可能地減小回路雜散電感。