你知道如何去优化功率模块主端子设计吗？-电子发烧友网

功率模块封装的驱动力是为了提高功率密度，提高可靠性和进一步降低成本。传统模块由于焊接工艺和键合线的原因，限制了功率密度的大幅提升。新的IGBT 芯片具有更高的电流密度、更高的开关速度和有限的短路能力，如果封装设计不匹配，这些特性都将影响功率模块的可靠性。散热性能和DCB与基板之间的连接技术是首要考虑优化的因素点，但寄生电感、均匀的芯片电流分布和主功率端子设计也是需要考虑的重要因素。

前言

大多数新设计的IGBT模块都配备了最新技术的IGBT芯片。但多数情况是，由于封装结构不匹配，无法充分发挥IGBT芯片新技术的性能，因此不得不做出妥协。

有不同功率端子设计的功率模块。寄生电感有很大的差异，也就是说在相同的电流下，RBSOA和功率损耗不同，而这两点都会影响模块的可靠性。

这些模块有的有4个直流功率端子，有的只有2个直流功率端子。有的模块主端子在两侧，有的在封装顶部。直流母线电容组的连接方式不同，需要优化设计使得在关断过程中降低过电压。

另外重要的是如何并联这些模块，使得电容组和功率模块之间的寄生电感是均匀的。不均匀的功率模块连接，电容组之间的纹波电流将影响电容的温度和寿命。

寄生电感和换流回路

芯片与功率端子之间的内部结构优化是提高可靠性的重要因素，必须避免芯片端的过电压应力。内部寄生电感会影响芯片端的峰值电压。图2为模块的寄生电感、直流母线电容和芯片电感。

图2：功率模块的寄生电感/寄生电容和芯片图

由于寄生电感的原因，工程师只能测量功率端子上的集电极/发射极电压，而很难测量IGBT芯片电压。图3显示了辅助端子上和芯片端的栅极/发射极电压。

图3：栅极/发射极电压受内部电感影响的情况

图4是一个1700V模块的RBSOA的例子。由于内部寄生电感，端子上允许的安全电压比芯片水平低100V以上。

图4：1700V模块的RBSOA的例子

在半桥模块的工作过程中，例如要开关上管IGBT，即意味着上管IGBT的切换与下管续流二极管搭配。图5显示了从DC+到DC-的换流回路，换流回路是影响寄生电感的关键因素，其中包括内部电感和外部电感。

图5：半桥模块的环流换流回路举例

尽量减少这些电感，可以降低关断时的过电压，降低关断损耗，这将直接影响功率模块的性能。

多个DCB的大功率模块和直流电容组连接方式

此外，有多个DCB并联的IGBT模块可获得更高的电流等级，其必须考虑所有并联连接的DCB的寄生电感，特别栅极和发射极的连接。芯片内部并联的模块中，寄生电感可能会导致芯片的动态不均流并且导致芯片之间的电流振荡，图6显示的是有多个并联DCB的IGBT模块。

图6：6个DCB并联的大功率模块，功率端子有两个正负连接

在功率单元的设计中，功率端子和直流母线电容之间的连接非常重要。从功率端子到直流母线电容的不对称连接会导致电容组中不同位置的电容产生不同的温度（由于不同纹波电流），而高温将影响寿命。图7显示了功率模块和直流母线电容之间的连接。

图7：功率模块与直流母线电容组连接

“A ”从功率模块到直流母线电容有一个非常对称的连接。每一个半桥（600A---总共2400A）都对称地连接到电容组，可实现低寄生电感和对称的纹波电流。

“B ”模块到母线电容连接并不理想，因为单个功率模块的电流非常大（1400A------共2800A），而上述结构将导致直流母线电容组的不均匀纹波电流。

“C ”是2个单颗大电流IGBT（2400A）组一个半桥。其换流电感非常大，与电容组的连接也不易设计

传统的大功率模块端子设计

所有传统的大功率IGBT模块都没有全面优化的功率端子结构设计。图8是一个传统IGBT模块结构，电流范围在300-900A。由于交流端子在其中一侧，直流端子在另一侧，端子间没有任何重叠设计，因此端子寄生电感较大。寄生电感在23-35nH左右。同时本模块有4个DCB，每个DCB的换流回路不同，这个因素使得每个并联芯片之间的电流分布不均匀。