功率模块 大功率逆变器高频化功率模块解决 方案 作者 ：陈道杰，Vincotech 中国上海，200120 ；吴鼎，Vincotech 中国深圳，518059 高 频化高功率密度是电力电子发 以下。但随着电力电子应用的不断深 展的趋势，这在中小功率逆变 化，大功率应用中的高频化渐渐被推 器应用中已经得以实现。对于大功率 上了日程，主要的需求来源于 UPS， 功率模块低寄生电感技术 逆变器，高频化仍然受限于功率模块 光伏逆变器，智能电网应用等，目标 封装技术和器件技术，在100Kw以上 开关频率为 20Khz。限制高频化的因 逆变器应用中，功率器件普遍使用 素主要是功率器件的开关损耗，包括 的开关频率仍然<6Khz。本文通过介 IGBT 的开通损耗 Eon，关断损耗 Eoff 绍一种新颖的不对称寄生电感封装技 和二极管的反向恢复损耗 Erec。 50khz 成为可能。 寄生电感一直以来都是电力电 子器件 应用中需要克服的主要难题，尤 其是对于高 频大功率应用场合。模块内部 术，使得大功率逆变器开关频率可以 现有的电力电子器件主要的瓶 的寄生电感会造成器件关断过程中 提高到20Khz；再通过对三电平拓扑 颈在于 ：大功率应用中，di/dt 比较 的过电压，为了避免，必须人为的 结构的优化，提出了一种I G B T并联 大，回路中的寄生电感会造成较大的 将低开关速度，这就导致开关损耗 MOSFET技术，使得开关频率可以进 电压尖峰 Vce（peak）= Vce + L * di/ 的增加 ；寄生参数还会造成模块开 一步提高到50Khz，从而真正突破大 dt[1]。为了避免，必须人为的降低器 关过程中的波形震荡，这也增加了 功率逆变器高频化应用的瓶颈。 件开关速度，这就导致器件开关损耗 电磁干扰和损耗。 的增加 ；另一方面，关断过程的电压 背景 作者在文 [1] 中介绍了一种新的 尖峰也限制了快速开关器件的应用。 基于现有标准模块封装，通过为瞬时 随着电力电子技术的不断发展， 为了克服以上问题，实现大功率逆变 高频化和高功率密度化已成为电力电 器应用中的高频化，本文通过三方面 电流提供一条额外的低寄生电感回路， 把寄生电感从 22nH 降低到 5nH，真 子发展的主要研究方向和发展趋势。 的优化来实现。第一步通过功率器件 正实现了功率模块的低寄生电感设计。 在中小功率应用中，随着电力电子器 关断回路低寄生电感设计实现关断损 功 率 模 块 低 寄 生 电 感 的 设 计， 件的不断更新换代，开关频率已经从 耗的降低 ；第二步在保持关断回路低 早期的几 Khz 发展到现在的几百 Khz， 寄生电感的前提下，增加开通回路中 甚至 1Mhz 以上。这大大带动了小功 的寄生电感，从而降低开通损耗 Eon 率开关电源，通信电源行业的发展。 和二极管反向恢复损耗 Erec ；第三步 但反观大功率应用，高频化的进展非 拓扑结构的优化，引入中心点钳位三 常缓慢，通用的开关频率仍然在 6khz 电 平 拓 扑（NPC）， 从 而 实 现 20khz 的开关频率。本文最后在 使得 ： • 大 功 率 IGBT 器 件 可 以 快 速， 安全可靠的关断 ； •IGBT 关断速度提高，过电压降 低，从而降低了关断损耗 ； • 可以使用快速 IGBT，进一步降 低开关损耗 ； NPC 拓 扑 的 基 础 上， 提 出一个新的设想，通过使 图1：不对称寄生电感示意图 28 图2：吸收电路能量回馈示意图 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM 不对称寄生电感技术 用 MOSFET 并联 IGBT 技 开关回路低寄生电感设计对于 术， 进 一 步 优 化 开 关 特 IGBT 关断过程至关重要，这是可以 性，使得开关频率提高到 使用快速 IGBT 的前提。但是低寄生 功率系统设计 POWER SYSTEM DESIGN CHINA 2014 年 1/2 月 Erec=31.78mJ 从波形可以看到，开关损耗大是 一方面，最重要的是由于关断回路寄 生电感 50nH 太大，关断过程产生的 过电压非常严重。尤其在 25 度情况下， 关断电压尖峰达到 570V，为了安全使 用，直流母线电压必须小于 630V，这 图3：IGBT开通过程测试（Lon=Loff=50nH） 不满足绝大多数应用，而且考虑到过 图4：IGBT关断过程测试（Lon=Loff=50nH） 载情况，允许的直流母线电压会更低， 这势必会迫使客户人为降低器件的开 关速度，来提高母线电压的可利用率。 这就会造成开关损耗的增加。 不对称寄生电感电气测试条件 同上，仅仅改变回路寄生电感 Lon 为 50nH，Loff 为 5nH. 图5：Diode反向恢复过程（Lon=Loff=50nH） 图6：IGBT开通过程测试（Lon=50nH，Loff=5nH） 测试结果 ： Eon=15.487mJ，Eoff=25.66mJ， Erec=28.27mJ 可以看到，总的开关损耗有约 10% 的降低。比较意外的是不仅关断 损耗 Eoff 有下降，Eon 和 Erec 也同时 下降了，主要原因是由于回路寄生电 感的下降，二极管反向恢复电流和电 图7：IGBT关断过程测试（Lon=50nH，Loff=5nH） 压都下降了，这也会使得开关管 T1 的 图8：二极管反向恢复（Lon=50nH，Loff=5nH） 导通电压下降，从而改善系统效率。 电感会增加 Diode 的反向恢复速度 [2]， Rtran 消耗掉，也可以通过 DC/DC 电 从 而 增 加 IGBT 的 开 通 损 耗 Eon 和 Diode 的反向恢复损耗 Erec。为了解 决这个问题，需要在保持关断回路低 源把能量回馈到直 在这个平台上，如果进一步增加 Lon 至 90nH，Loff 保持 5nH 不变。 流母线中，从而提高系统效率， 如图 2。 测试结果为 ： E o n =12.44m J，E o f f =25.77m J， 寄生电感的前提下，增加开通回路中 1. 不对称寄生电感技术实验验证 Erec=26.70mJ。总的损耗进一步下降， 的寄生电感，这又称为“不对称寄生 为了验证不对称寄生电感的效 相对初始结果，下降 >15%。 电感技术”。它的实现如下图 1，T1， 果，在传统模块基础上，通过内嵌吸 2. 不对称寄生电感技术的优点 D1，Dtran 和 Ctran 组成了关断回路 ； 收电路，修改回路寄生参数，来测试 • 使用通用器件达到了优异的开 Cdc，Lparasitic，T1 和 Load 组成开通 回路。在 IGBT 开通时，利用回路中 的器件引脚，布线等产生的寄生电感 相应的开关损耗。 关特性 测试条件 ： 这 个 平 台 使 得 器 件“ 开 ”“ 关 ” R g = 2 o h m ， V g e = + / - 1 5 V ， 过程解耦，通过功率模块封装技术的 Lparasitic 降低 IGBT 开通速度，从而 Vdc=600V，Iout=400A，测试器件为 优化，使得即使使用标准器件，也可 降低 Diode 的反向恢复速度 ；在 IGBT InfinEon HS3 IGBT 1200V/400A 以达到优异的开关特性，从而提高系 关断时，利用图中 Dtran 屏蔽掉这部 分寄生电感，从而实现低寄生电感关 断。寄生电感中的能量通过 Dtran 对 吸收电容 Ctran 充电。 吸收电容中的能量可以通过电阻 初始寄生电感 Lon 和 Loff 都设为 50nH。 统效率 ； •EMI 特性改善 测试结果（横坐标为时间，众坐 不对称寄生电感技术使得开关管 标为母线电压百分比表示）： 开通过程中的电流尖峰大大下降，同 E o n =16.92m J，E o f f =27.78m J， 时减少了波形震荡，从而改善了系统 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM 29 功率模块 结论 在 解 决 高 频 化 需 求 时， 除 了 使 IGBT电流 用昂贵的新型开关器件，例如 SiC 或 MOSFET电流 GaN 器件外，也可以通过封装和拓扑 结构的优化，使用现有的器件达到同 样的效果。 图9：NPC拓扑 图10：MNPC拓扑 EMI 特性 •叠 层 母 排 （busbar）不再需要 使用了不对称 图11：Wide body封装 • 低寄生电感封装技术大大降低 图14：器件并联电流分布示意图 了关断过程中，器件上的电压尖峰， 封装，如图 11，集成了不对称寄生电 使得在大功率应用中，可以充分使用 感封装技术和三电平拓扑，电流等级 开关器件的开关速度 ； • 不对称寄生电感技术进一步降 覆盖 300A-800A，可以满足大功率电 寄 生 电 感 技 术， 直 力电子应用中 20khz 开关频率的需求。 低了开关损耗，改善了 EMI 特性 ；而 流母线环路寄生电感增加不仅不会 且使得更快的开关器件可以被用到大 功率模块中 ；昂贵的叠层母排不再需 低。这就使得直流母线的连接不再需 器件并联技术在三电平拓扑的 应用 要昂贵的叠层母排，可以大大降低系 不对称寄生电感技术使得在大功 • 独创的器件并联技术在三电平 带来问题，反而会带来开关损耗的降 统成本 ； 要，也降低了系统成本 ； 率电力电子应用中，可以使用标准的 拓扑上的应用成为可能，大功率应用 • 降低了吸收电容上的电压纹波 二极管取得优异的开关特性，解决了 在开通过程中，吸收电容不在放 标准二极管在快速开关情况下的反向 中 50khz 的开关频率有机会实现 www.vincotech.com 电。电容上的电压纹波和损耗大大下 恢复损耗大的问题。这就使得在大功 降，增加了电容的寿命和可靠性。 率应用中，可以使用更加快速的开关 参考文献 器件，从而实现大功率电力电子应用 [1] 陈道杰，Michael Frisch和Erno Temesi. >20khz 的需求。 新型低寄生电感模块的 设计[J].电力电子 三电平拓扑结构模块介绍 图 12 和 图 13 是 在 三 电 平 拓 技术，2011，45（11）:128.Chen Dao-jie， （NPC 和 MNPC）[3]， 见 图 9 和 10， 扑 的 基 础 上， 通 过 使 用 IGBT 并 联 相对于三相全桥电路，一方面它们开 MOSFET 技术 [4]，实现开关损耗的进 Michael Frisch and Erno Temesi. Power Module 对于中心点钳位三电平拓扑结构 关时的电压只有母线电压的一半，开 一步降低。 Power Electronics，2011，45（11）:128 关损耗大幅下降 ；另一方面通过使用 具体的控制方法见图 14，IGBT [2] Wilhelm Rusche and Marco Bassler. 600V 器 件 取 代 1200V 器 件， 器 件 本 和 MOSFET 同时给开通信号，由于 Influence of Stray Inductance on High- 身的开关速度得到提高，相应的开关 MOSFET 开通速度远远快于 IGBT，开 Efficiency IGBT Based Inverter Designs. 损耗也大大下降。 通电流都会流过 MOSFET，MOSFET InfinEon Technologies，Warstein Germany 上的电压下降，而 IGBT 就会实现零 2010 电压开通。在大电流下，IGBT 的导通 [3] Michael Frisch and Erno Temesi. Advantages 压降远远小于 MOSFET，大部分的静 of NPC Inverter Topologies with Power 态导通电流会流过 IGBT，从而实现导 Modules. Vincotech Germany and Hungary 通损耗的最优化。在关断过程中，给 2009 MOSFET 一个几百微妙的滞后关断信 [4] Michael Frisch and Erno Temesi. Innovative 号，IGBT 会先零电压关断，MOSFET Topologies for High Efficient Solar Applications. 接过负载电流，再关断。具体的效果 Vincotech Germany and Hungary 2009 Vincotech 最新开发的 wide body 有待实验的进一步验证，预估开关损 图12：NPC拓扑器件 图13：MNPC器件并联（600V 并联（600V MOSFET MOSFET // 1200V IGBT） // 600V IGBT） 30 With Additional Low Inductive Current Path[J]. 耗相对于现有模块会有大于 50% 的下 降，这将使得大功率逆变器应用中， 50Khz 开关频率成为可能。 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM