一種低寄生電感IGBT半橋模塊*

谷彤，程士東，郭清，周偉成，盛況

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027）

0 引言

大容量IGBT功率模塊是電力電子換流裝置中重要的組成部件，在直流換直流、直流換交流、交流換直流、交流換交流過程中起著核心的作用，廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、高壓直流輸電、電動汽車、機電一體化等領(lǐng)域［1］。對于高壓大容量IGBT功率模塊，寄生電感是一項非常重要的性能參數(shù)。IGBT是電壓控制型半導(dǎo)體開關(guān)器件，開通和關(guān)斷速度快，在快速的關(guān)斷過程中，開關(guān)器件承受的電壓和電流迅速變化，通態(tài)電流急速下降，會產(chǎn)生較大的電流變化率［2］。在該關(guān)斷暫態(tài)過程中，模塊內(nèi)部各種導(dǎo)電路徑的寄生電感不可忽略，寄生電感與電流變化率共同作用下會產(chǎn)生電壓過沖。電壓過沖施加在IGBT芯片上，增加了芯片的電壓應(yīng)力，增大了對芯片的耐壓等級要求。過電壓影響裝置EMC性能，增加器件開關(guān)損耗，降低換流電路工作效率［3］。這種現(xiàn)象在高頻和大電流場合尤為明顯。因此，著力于減小模塊寄生電感是很有必要的。

目前，國內(nèi)外對寄生電感的研究主要集中在實用電路拓撲層面，對功率模塊內(nèi)部寄生電感的研究較少，主要包括兩方面：一方面是使用有限元軟件對模塊進行三維建模，仿真提取模塊的寄生電感值［4-5］；另一方面是在模塊內(nèi)部增加高頻解耦電路，減小過電壓的產(chǎn)生［6］。對模塊內(nèi)部的芯片進行合理布局是減小寄生電感的一條重要途徑，并且在改善電性能的同時幾乎不影響模塊的散熱性能及可靠性。功率模塊一般采用芯片層—焊錫層—DBC（direct bonding copper）板層—焊錫層—基板層—散熱器組成的多層堆疊結(jié)構(gòu)。模塊工作時產(chǎn)生熱量的散發(fā)路徑由各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)決定，熱仿真分析說明絕大部分熱量通過多層堆疊結(jié)構(gòu)向下傳遞到散熱器散失到環(huán)境中，芯片的間距變化造成的熱耦合對散熱影響不大，可以忽略［7］。模塊的可靠性主要由各層之間的接觸面積、各層厚度及各層材料的熱膨脹系數(shù)匹配度決定［8-9］。芯片布局的改變并未改變模塊的多層結(jié)構(gòu)及各層的材料特性，所以可以保證散熱性能和可靠性幾乎不受影響。

考慮到IGBT半橋模塊的工作方式，本研究對傳統(tǒng)商用型IGBT半橋模塊的芯片布局進行優(yōu)化設(shè)計，搭建測試電路對新舊模塊進行測試。

1 IGBT半橋模塊的寄生電感模型

IGBT半橋模塊的電路拓撲包括上橋臂和下橋臂兩部分，每部分各包含1個IGBT單元及其對應(yīng)的續(xù)流二極管單元。上橋臂IGBT的發(fā)射極與下橋臂IGBT的集電極連接在一起，上橋臂IGBT的集電極、下橋臂IGBT的集電極和發(fā)射極分別有端子支架引出供外電路連接。芯片極與極之間的連接路徑與模塊各端子的引出路徑均存在寄生電感。IGBT半橋模塊的寄生電感模型如圖1所示。當(dāng)有變化的電流通過導(dǎo)電路徑時，變化的電流引起穿過導(dǎo)電路徑的磁通發(fā)生變化，由電磁感應(yīng)定律可知，變化的磁通將在導(dǎo)電路徑中感應(yīng)出電動勢。由基爾霍夫電壓定律分析可知，該感應(yīng)電動勢增加了芯片的電壓應(yīng)力。

2 低寄生電感IGBT半橋模塊的研究

圖1 IGBT半橋模塊的寄生電感模型

目前，功率器件與模塊的封裝普遍采用引線鍵合的互連方式與平面封裝技術(shù)［10］。功率器件芯片焊接在導(dǎo)電基底上，通過使用鍵合技術(shù)引出芯片電極引線，與基底覆銅實現(xiàn)電氣連接，基底通過絕緣層連接到散熱器，端子支架從基底引出，起支撐作用，供外部電路連接使用。傳統(tǒng)商用型IGBT半橋模塊的三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該結(jié)構(gòu)圖以SEMIKRON公司的IGBT半橋模塊SKM100GB128D（1 200 V，100 A）為原型。其中，上橋臂二極管芯片D1與下橋臂二極管芯片D2焊接在DBC板的中部位置，上橋臂IGBT芯片T1與下橋臂IGBT芯片T2焊接在二極管芯片的兩側(cè)，上橋臂IGBT的集電極C1、上橋臂IGBT的發(fā)射極E1、下橋臂IGBT的發(fā)射極E2分別有端子支架引出。IGBT芯片發(fā)射極與二極管芯片陽極有邦定線引出，連接到相應(yīng)DBC板上銅層。模塊的整體尺寸是94 mm×34 mm×30.5 mm。研究含有支架C1、芯片D1、芯片T2、支架E2的換流通路的寄生電感Lh。其計算公式為：

式中：LA—C1至D1的寄生電感，LB—D1至T2的寄生電感，LC—T2至E2的寄生電感。

圖2 傳統(tǒng)型IGBT半橋模塊結(jié)構(gòu)圖

IGBT半橋模塊工作回路圖如圖3所示，IGBT半橋模塊在電力電子電路中工作時，上橋臂二極管芯片D1與下橋臂IGBT芯片T2工作在一個換流回路中，如圖3中回路1所示。上橋臂IGBT芯片T1與下橋臂二極管芯片D2工作在另一個換流回路中，如圖3中回路2所示。換流回路越長，回路面積越大，線路引起的寄生電感值越大，IGBT芯片承受的關(guān)斷過電壓越嚴重。

圖3 IGBT半橋模塊工作回路圖

基于對開關(guān)過程及回路的以上理解，為了減小模塊內(nèi)部引起的寄生電感，本研究提出了一種能夠大幅度減小回路面積的優(yōu)化方案，4種芯片需重新布局，并且重新布局可在模塊中實現(xiàn)，設(shè)計出的新型IGBT半橋模塊如圖4所示。圖4中，上橋臂二極管芯片D1與下橋臂IGBT芯片T2相鄰放置，減小了回路1中模塊內(nèi)部換流通路的長度，從而減小了其引起的寄生電感。同理，上橋臂IGBT芯片T1與下橋臂二極管芯片D2也可相應(yīng)放置。為了封裝的兼容性，新模塊的總體尺寸及3個支架的位置與傳統(tǒng)模塊保持一致。

圖4 新型IGBT半橋模塊結(jié)構(gòu)圖

3 模塊制作

基于第2節(jié)的模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，筆者進行新型及傳統(tǒng)型IGBT半橋模塊的實物制作。第一步制作直接覆銅板DBC。DBC板是銅層與陶瓷基片通過鍵合工藝直接連接形成的超薄復(fù)合基板，一般使用上銅層、陶瓷絕緣層、下銅層3層結(jié)構(gòu)。DBC板具有優(yōu)良的電絕緣特性，高導(dǎo)熱特性，結(jié)合力與機械應(yīng)力強。DBC板銅層可以設(shè)計各種需要的電路圖形，具有良好的載流能力。DBC板陶瓷層一般使用AL2O3或ALN等陶瓷材料，AL2O3與ALN絕緣強度高，導(dǎo)熱特性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，阻斷了電路與基板散熱器的電氣連接，并為芯片工作產(chǎn)生的熱量提供良好的散熱通道。DBC板廣泛應(yīng)用于大功率電力電子結(jié)構(gòu)互連工藝中，典型IGBT模塊使用不同材料構(gòu)成的DBC板及基板時，各層的典型厚度如表1所示［11］。大部分商用化模塊產(chǎn)品均采用該設(shè)計。

表1 3種不同DBC板及基板設(shè)計對應(yīng)的IGBT模塊內(nèi)部各層厚度

當(dāng)應(yīng)用絕緣等級要求高時，可使用擊穿場強較高的ALN作為陶瓷絕緣層或使用較厚的AL2O3絕緣層。要求模塊有高可靠性時，可采用具有較低熱膨脹系數(shù)的ALSiC材料制作基板，與其他材料更好地配合，改善熱循環(huán)中的熱應(yīng)力分布。為制作新型及傳統(tǒng)型IGBT半橋模塊，筆者在DBC板制作廠家訂制上銅層有電路圖形的DBC板。其中，DBC板上銅層、陶瓷層、下銅層的厚度分別為0.3 mm、0.38 mm、0.3 mm。陶瓷層采用AL2O3制作。

制作好的DBC板、IGBT及二極管裸芯片、基板需要通過釬焊實現(xiàn)電氣連接。焊接在實驗室加熱臺完成，分為放置、加熱、冷卻3個步驟。本研究首先按照設(shè)計圖的布局放置芯片及基板，并在需焊接處放置適量焊錫，然后利用加熱臺加熱至焊錫完全融化，冷卻即可。在焊接過程中要注意不要損傷裸芯片，焊接后使用清洗劑清洗助焊劑及芯片表面，保證下一步打邦定線的質(zhì)量。

對于焊接在DBC板上的IGBT芯片及二極管芯片，需要制作電極引線以完成芯片間互連。目前，大功率IGBT模塊普遍采用超聲鍵合法引出電極邦定線，建立芯片間電連接。超聲鍵合是在常溫下利用超聲機械振動使引線與金屬面相互接觸，摩擦產(chǎn)生的熱量使金屬之間分子擴散，從而實現(xiàn)引線與芯片焊盤及電路的連接［12］。新型模塊與傳統(tǒng)型模塊邦定線的鍵合由模塊生產(chǎn)公司代為制作完成。

邦定線鍵合完成后，本研究將端子支架焊接到相應(yīng)DBC板上銅層位置。焊接支架時，筆者選用熔點相對較低的焊錫，防止加熱時之前的焊接受到破壞。至此，模塊內(nèi)部所有電氣連接均已完成。為了保證模塊工作時的電氣絕緣要求，本研究在模塊內(nèi)部存在電壓差的部位之間灌注硅膠。硅膠擊穿場強高，絕緣性能優(yōu)于空氣，并可防止芯片及電路受到機械、化學(xué)的危害。制作完成的傳統(tǒng)型與新型IGBT半橋模塊如圖5、圖6所示。

圖5 制作完成的傳統(tǒng)型模塊照片

圖6 制作完成的新型模塊照片

4 電感測試與結(jié)果對比

模塊制作完成后，本研究對模塊進行實驗測試。該實驗搭建單脈沖測試電路，測量制作好的新型及傳統(tǒng)型IGBT半橋模塊的寄生電感值。實驗中測量圖3回路1中模塊內(nèi)部的寄生電感值，包含支架C1、芯片D1、芯片T2和支架E2。筆者將該通路的寄生電感分為3部分測量，分別為：支架C1到二極管芯片D1的陰極為LA段；二極管芯片D1的陽極到IGBT芯片T2的集電極為LB段；IGBT芯片T2的發(fā)射極到支架E2為LC段。測試電路如圖7所示。

圖7 測試電路

筆者設(shè)置母線電壓30 V，IGBT門極施加單脈沖20 μs，外加電感為29 μH。使用Lecroy示波器（1 GHz帶寬）獲取IGBT關(guān)斷過程中寄生電感的電壓與電流波形，實驗波形如圖8所示。

圖8 測試波形

寄生電感值利用以下公式計算得出：

式中：Δv，i—寄生電感的電壓與電流。

基于該實驗測試方法計算得出的各段寄生電感值已包含了各段之間產(chǎn)生的互感問題，故可將3段寄生電感值相加得到模塊內(nèi)部的總體寄生電感值。兩模塊寄生電感的計算結(jié)果及結(jié)果對比如表2所示。由實驗結(jié)果可以看出，與傳統(tǒng)型IGBT半橋模塊相比，新型IGBT半橋模塊的寄生電感減小了35%。其中，LB段由于主要分布于DBC板上銅層電路中，芯片在DBC板上的優(yōu)化布局可使其大幅度減小。LA與LC段由于接口的限制，含有固定不變的端子支架，芯片的優(yōu)化布局使其小幅度減小。若不考慮與傳統(tǒng)商用型模塊的封裝兼容性問題，寄生電感值有進一步優(yōu)化的空間。實驗結(jié)果顯示在封裝兼容情況下，新設(shè)計已顯示出較好的優(yōu)化作用。

表2 實驗結(jié)果

5 結(jié)束語

本研究結(jié)合IGBT半橋模塊在電力電子電路開關(guān)過程及回路中的工作原理，優(yōu)化了模塊內(nèi)部芯片的布局方式，研制出了具有新型結(jié)構(gòu)的IGBT半橋模塊。為了對新設(shè)計的效果進行評價，筆者制作了新型及傳統(tǒng)商用型IGBT半橋模塊，并進行公平比較。為了封裝的兼容性，兩模塊的整體尺寸與支架保持一致。在此情況下，實驗結(jié)果顯示與傳統(tǒng)型IGBT半橋模塊相比，新型IGBT半橋模塊的寄生電感減小了35%。

該優(yōu)化方案使IGBT半橋模塊的電性能得到了改善，并且?guī)缀醪挥绊懩K的散熱性能及可靠性。該優(yōu)化方案對其他IGBT模塊與各種功率模塊也有較好的改進意義。

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