** 前 言 **

01

大家好，我們都知道無論是功率半導(dǎo)體模塊封裝設(shè)計還是功率變換器的母線設(shè)計，工程師們都在力求 雜散電感最小化 ，因為這樣可以有效減小器件的 開關(guān)振蕩及過壓風(fēng)險 ，今天我們結(jié)合主流功率半導(dǎo)體廠商的SiC MOSFET模塊，聊一下低雜感模塊封裝內(nèi)部是如何設(shè)計的？

** 雜感基本概念 **

02

首先我們先回顧一下電感的概念：電感是閉合回路的一種屬性，是一個物理量。當(dāng)線圈通過電流后，在線圈中形成磁場感應(yīng)，感應(yīng)磁場又會產(chǎn)生感應(yīng)****電勢 來抵制通過線圈中的電流變化，這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱為電的感抗，也就是電感 ，以美國科學(xué)家約瑟夫·亨利命名，單位：H mH uH nH，數(shù)量級依次減小10^3倍。

對于常規(guī)的電感比較好理解，也比較形象，以空心螺線管為例，線圈通入電流就會在線圈內(nèi)部產(chǎn)生磁通。如果從能量角度理解： 電感器是能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲起來的元件，電感電流不能突變的本質(zhì)原因是電流產(chǎn)生的磁場能不能突變 。通常情況下，線圈的形狀不變后，電感也不再變化，默認(rèn)為常數(shù)，電感與磁場中的磁鏈關(guān)系如下圖：

普通電感的感量一般是uH或mH級，而雜散電感是指這個電感不是故意設(shè)計出來的，是附加或寄生在導(dǎo)體上產(chǎn)生的，量級一般是nH 級 ， 任何一根導(dǎo)線無論它有多短都會存在寄生電感。

對于雜散電感理解雖不及螺線管形象，但電感與磁鏈的關(guān)系 依然滿足L= ? /I 。以矩形截面導(dǎo)體為例，雜散電感Lσ主要分為內(nèi)電感Lin和外電感 Lext 。 其中，內(nèi)電感Lin由導(dǎo)體內(nèi)部的磁鏈Ψin引起，大小隨頻率的增加而減小，主要是因為高頻下由于集膚效應(yīng)電流都走表面，導(dǎo)體內(nèi)部沒有電流，也就不存在磁鏈了；外電感Lext由導(dǎo)體外部的磁鏈Ψext引起，由導(dǎo)體結(jié)構(gòu)決定，與頻率無關(guān)，高頻狀態(tài)下，電感主要表現(xiàn)為外電感 Lext 。

關(guān)于雜散電感與磁場能量的科普，可以參考老耿以前的文章：

如何從磁場能量的角度理解母線雜散電感？

** 雜感減小措施 **

03

通過電感與磁鏈或磁通的關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn) 電感越大，單位電流產(chǎn)生的磁通量也就越多。反過來講， 如果單位電流產(chǎn)生的磁通量越少，那導(dǎo)體的電感也就與越小（ 這里是指不同形狀的導(dǎo)體相比，對于一個導(dǎo)體，一旦形狀固定，雜感基本就不會再變化了 ）。 下面我們結(jié)合幾種電流回路看一下導(dǎo)體形狀和電流走向是如何影響雜感的。

電路1： 寬導(dǎo)體比窄導(dǎo)體雜感小 ，這個不難理解，可以把導(dǎo)體流過的電流想象成無數(shù)個并聯(lián)的電流線，這樣導(dǎo)體越寬，電流產(chǎn)生的磁通抵消也就越多，因此雜感也就越小。

電路2： 電流方向相反的兩個疊層導(dǎo)體比平行導(dǎo)體雜感小 ，這個也很好理解，電流方向相反，上下電流產(chǎn)生的磁通就會抵消，因此雜感也就越小。

電路3： 換流回路中的電流方向相反的數(shù)量越多，能夠抵消的磁通越多，雜感也就越小 。在這里可以把換流回路分段理解，電流相反的段數(shù)越多雜感也就越小。

電路4： 導(dǎo)體互連并聯(lián)點越多雜感也就越小 ，這里的互連點可以是 電容并聯(lián) ，可以是 功率器件并聯(lián) ，也可以是 模塊內(nèi)部的芯片并聯(lián) 。

電路5： 方向相反的電流距離越近，雜感也就越小。

通過上面分析可以看出，要想減小換流回路中的雜感， 核心思路要么是把導(dǎo)線做寬，要么就是導(dǎo)線疊層，且距離越近越好，但本質(zhì)思想是一樣的都是磁場抵消 。

下面讓我們來看看兩大主流的SiC MOS廠商Cree和Rohm模塊內(nèi)部是如何連接的。

** Cree 模塊封裝 **

04

**Cree公司的大功率****SiC MOS **模塊主要有三種封裝，分別如下：

示例1： 62 mm封裝

下圖為Cree 早期的62mm封裝模塊，這種封裝目前在IGBT上還有大量應(yīng)用。62mm模塊的電壓等級覆蓋1200 V和1700V，1200V電壓的模塊電流從120A至530A，1700V模塊只有225A一款， 該模塊封裝內(nèi)部的雜感為11.1nH 。模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示， 正負(fù)連接銅排在模塊內(nèi)部采用疊層方式 ，因此在一定程度上減小了模塊雜感。

采用類似思想的模塊非常多，例如primepack封裝，詳情可以參考這篇文章：

IGBT模塊內(nèi)部是什么樣的？

示例2 ： **XM3 **封裝

XM3 封裝電壓等級為1200 V，電流等級覆蓋 400A-450A， 模塊內(nèi)部雜感為6.7nH 。

模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖，可以看出 正負(fù)母線導(dǎo)體沒有底層，但導(dǎo)體相對較寬 ，而且內(nèi)部芯片并聯(lián)， 電流的方向都是平行并聯(lián)的，非常順 ，這樣雜感也能降下來。

示例3： HM High Performance 62 mm封裝

HM 62mm 封裝的電壓等級覆蓋1200 V和1700V，1200V電壓模塊電流從480A至760A，1700V電壓模塊電流從380A至650A，模塊內(nèi)部的雜感在4.9nH。

模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖，正負(fù)母線在兩側(cè)，且沒有疊層，但 正負(fù)母線比XM3封裝更寬 ，這樣可以進(jìn)一步減小一部分雜感。

** Rohm 模塊封裝 **

05

Rohm sic模塊電壓等級覆蓋1200V-1700V，模塊封裝主要有三種分別為： **C type、E ype和 G type** ，模塊外形尺寸如下圖：

其中C type****內(nèi)部雜感為25n H ， E type****內(nèi)部雜感為13n H ， G type****內(nèi)部雜感為10n H 。E type和G type模塊外部尺寸一樣，但G type封裝模塊的電流更大。C type模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖：

可以看出C type電流換流路徑較長，而且上下橋MOS在兩塊獨立的DCB上，因此雜感相對較大。E type模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖：

可以看出E type封裝比C type電流路徑平行的段數(shù)變多了，因此雜感相比C type能夠減小不少。G type封裝老耿沒有找到內(nèi)部圖片，猜測可能和E type差不多，只是內(nèi)部并聯(lián)的芯片數(shù)量會更多一些，因此電感相比E type會小一些。