双面散热功率模块的低电感多端集成电容_余跃.pdf

2023 年4 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.8 第 38 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220510 双面散热功率模块的低电感多端集成电容 余 跃1,2 邹铭锐1 曾 正1 孙 鹏1 姜 克3（1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）重庆 400044 2.国网安徽省电力公司经济技术研究院 合肥 230022 3.安世半导体科技（上海）有限公司 上海 200023）摘要 双面散热功率模块能有效提升逆变器的功率密度，成为车用电机控制器的发展趋势。为了匹配双面散热功率模块的超低寄生电感，急需高性能的低电感集成电容。然而，现有集成电容存在构-效机理不明、基础模型缺失和设计方法匮乏等问题，成为限制双面散热功率模块性能的关键技术瓶颈。该文结合功率器件的开关工作机制，基于场-路映射分析方法，采用有限元仿真工具，揭示集成电容的磁场分布和电流路径规律，建立集成电容的寄生电感模型，理论模型和仿真结果之间的误差小于 16%。为了降低集成电容的寄生电感，衍生了六种集成电容的设计结构，揭示端子布局与寄生电感之间的构-效规律，提出多端集成电容的概念，寄生电感约为 32 nH，可以降低 47%的寄生电感和 21%的电压过冲。对标商业化集成电容产品，实验结果验证了所提多端集成电容在开关损耗、关断电压、能量密度等性能方面的技术优势。该文的研究，为低电感集成电容提供了新的模型方法，为高功率密度车用电机控制器提供了新的研究思路。关键词：双面散热功率模块 低寄生电感 多端集成电容 端子优化布局 中图分类号：TM464 0 引言 随着新能源汽车的快速发展，高功率密度车用电机控制器对母线电容，提出了越来越高的要求。现有母线电容的寄生电感通常大于 50 nH，增加功率器件 5%的开关损耗，引入 20%的过电压，占电机控制器 30%的体积和质量，20%的硬件成本1-3。面向下一代 Si IGBT 和 SiC MOSFET 等车用功率器件，低电感、高效率、模块化、集成化、轻量化等关键性能指标，将是车用薄膜电容的持续技术需求。针对英飞凌公司 Hybrid Pack Drive 封装的车用功率模块，美国 SBE、美国 AVX、日本 TDK 等公司，先后推出了商业化低电感集成电容，将寄生电感降低到 30 nH 以下4-5。然而，以德国 Infineon 公司HybridPack DSC、美国 Onsemi 公司 VE-Trac、美国Delphi 公司 Viper 为代表，下一代双面散热封装的车用功率模块具有定制化封装、寄生电感更低等全新的技术特征6-8，但是目前还缺乏与之相匹配的低电感集成电容解决方案，还有待进一步的深入研究。围绕母线电容与直流母排的电路建模和优化设计，以及母线电容和直流母排的系统集成，已有部分研究。在母线电容的建模与优化方面，单个电容模块的寄生电感与薄膜的制造工艺、绕制方式和端子布局有关9-10，通常，采用集中参数模型或分布参数模型，表征电容模块的寄生电参数11-12。母线电容大多包含多个电容模块，其等效电路模型需要计及多个模块之间电流分布规律，及其磁场耦合规律13-14。通过优化电容结构、端子布局、屏蔽包裹等方法15-17，可以有效降低母线电容的寄生电感。在直流母排的建模与优化方面，借助直流母排的对称性，通过建立母排基本单元的电感和电阻模型，可以得到整个母排的寄生电参数模型18。进一步地，结合功率器件的寄生电参数模型，建立功率回路的等效电路模型，揭示电容寄生电感与功率器件开关行为的作用机制17。此外，通过器件开关波形的实测结果，可以反演母线电容和直流母排的寄生电感19-20。直流母排的寄生电感位于直流电源和功 国家自然科学基金项目（52177169）和重庆市研究生科研创新训练项目（CYB21016）资助。收稿日期 2022-04-05 改稿日期 2022-05-07 第 38 卷第 8 期 余 跃等 双面散热功率模块的低电感多端集成电容 2101 率器件之间，其存储和释放的能量，直接增加功率器件的开关损耗，并导致功率器件的电压过冲21-22。因此，低电感直流母排的优化设计，对于提升变换器效率，降低器件关断过电压应力等，具有重要的现实意义23。基于多物理场设计方法，采用对称的几何结构、优化电容布局、优化端子布局、多层母排结构，加强自感和互感的耦合，优化电容模块内部的电流路径，减小磁场能量，可以降低直流母排的寄生电感24-26。在电容和母排集成方面，美国 SBE公司、德国 Infineon 公司等尝试了母线电容与直流母排的集成，发现集成电容可以进一步降低功率回路的寄生电感，提升 20%的器件电压裕度，在电动汽车领域，具有重要的应用前景27-30。综上所述，现有低电感电容的研究，主要集中在电路建模和结构优化方面。母线电容和直流母排的低电感集成，可以降低电容的面积、体积和成本，便于实现高功率密度电机控制器，是车用电容的发展趋势。然而，传统集成电容的优化设计自由度不高，忽略了功率器件的工作机制，电磁场的分布规律缺乏优化，寄生电感的影响机理还不清晰，理论模型和设计方法还十分匮乏，成为定制化低电感集成电容的关键基础问题，难以适应下一代双面散热功率模块的快速发展，亟待技术创新。面向车用双面散热功率模块的新兴技术需求，围绕低电感集成电容电磁规律不清、基础模型缺失、设计方法匮乏等技术难题，本文详细研究集成电容的场-路映射分析模型、低电感布局构-效机理、多端集成设计方法。计及功率器件的工作机制，采用有限元分析方法，基于母排的电流路径和磁场分布，建立集成电容的自感和互感电路模型，揭示集成电容的寄生电感分布规律。以控制自感和增加互感为目标，采用电流路径调节和耦合磁场优化，提出多端集成电容的概念，大幅度降低集成电容的寄生电感。最后，以商业化集成电容产品为参照，采用双面散热功率模块的实测结果，验证了基础模型和设计方法的可行性和有效性。本文为高功率密度车用电机控制器的系统集成，提供新的研究思路，为车用低电感集成电容的优化设计，提供新的理论模型和设计方法。1 集成电容的寄生电感与电流分布 1.1 集成电容的寄生电感 车用电机控制器的电路原理如图 1 所示。Vdc和Cdc分别为母线电压和电容，LESL为电容的等效寄生 图 1 车用电机控制器的电路原理 Fig.1 Schematic of power control unit for electric vehicle 电感，L1、L2和 M 分别为直流母排的自感和互感。为了提升电机控制器的集成度和功率密度，缩短母线电容与功率模块之间的互连回路，降低母排寄生电感和器件开关损耗，通常采用母线电容和直流母排一体的集成电容方案。考虑器件的高频开关过程，母线电容的寄生电感 LESL被电压源短路，直流母排的寄生电感 L1、L2和 M，直接影响功率器件的开关损耗和关断过电压。在功率器件的高频开关过程中，集成电容的电压降可以表示为 1221112ddddddddddiiiiivLMLMLttttt=-+-=（1）式中，i1和 i2为功率回路的瞬态电流，且 i1=i2；L为直流母排的等效寄生电感，L=L1+L2-2M。优化集成电容设计、降低直流母排寄生电感，对于提升电机控制器的能量变换效率，扩展功率器件的安全工作区，具有不可替代的作用。1.2 直流母排的电流分布 受集成电容和功率模块的几何布局影响，当导通的功率器件发生变化时，集成母排上的电流分布会发生变化。因此，寄生参数 L1、L2和 M 与器件的工作机制有关，而非常数。为了表征集成电容的电学性能，应该根据功率器件和集成电容的交互机制，基于器件的开关状态，计及母排的电流分布，建立集成电容的寄生电感模型。以图 2 所示典型的集成电容为例，分析端子布局对集成电容寄生电感的影响规律。集成电容的正极和负极输入端 S1和 S2连接到直流母线，输出端连接到功率模块，正极板和负极板的铜层厚 35 m，绝缘层厚 1.6 mm。如图 1 所示，在三相逆变电路中，上下桥臂的功率器件互补导通，输出六种非零的电压矢量：100、010、110、001、101、011。对于不同的电压矢量，电流在母排上的传输路径和分布规律存在较大差异，不同电压矢量的电流路径如图 3 所示。因此，2102 电 工 技 术 学 报 2023 年 4 月 图 2 集成电容的电气和机械连接 Fig.2 Electrical and mechanical interconnection of integrated capacitor （a）矢量 100 （b）矢量 010 （c）矢量 110 图 3 不同电压矢量的电流路径 Fig.3 Current routines under different voltage vectors 电流的路径和分布是影响集成电容寄生电感的主要因素，应计及直流母排结构和器件开关机制，建立集成电容的寄生电感模型。假设直流母排左右对称、上下对称，对于 100、001，010、101 和 110、011 这 3 对电压矢量，电流的路径和分布也分别对称。因此，只需要选择 100、010、110 这三种电压矢量作为研究对象，即可揭示直流母排的寄生电感规律。根据正极或负极输入端子的多少，下面分别讨论单端和多端集成电容的寄生电感模型。2 单端集成电容的寄生电感 2.1 单端集成电容的寄生电感模型 型单端集成电容的几何模型如图 4 所示，为了掌握端子布局对电流路径的影响规律，建立集成电容的三维有限元模型，采用 Ansys Q3D 有限元分析工具，研究直流母排的电流分布规律，提取其寄生电感。在有限元模型中，交流频率设置为 10 MHz。a 和 b 分别为母排的长度和宽度，h 为铜箔厚度，h0为绝缘层厚度，y1和y2分别为负极和正极端子与功率模块端子之间的垂直距离。短铜排用于模拟功率器件的开关过程，根据不同的电压矢量，控制直流母排的电流路径。对于单端母排，只存在一对正、负端子，根据端子的位置不同，定义型和型单端集成电容，图 4 型单端集成电容的几何模型 Fig.4 Geometrical model of type single-ended integrated capacitor 几何模型如图 4 和图 5 所示。图中，x1、x2分别为负极和正极端子与功率模块、功率端子之间的水平距离。图 5 型单端集成电容的几何模型 Fig.5 Geometrical model of type single-ended integrated capacitor 直流母排可以等效为两块距离很近的平行导电薄板，由于电流的趋肤效应和邻近效应使得高频电流在铜层上分布极不均匀。直流母排的电流密度分布局部如图 6 所示，从母排的剖面图可以看出，电流主要集中在靠近 FR4 的边缘位置。图 6 直流母排的电流密度分布局部 Fig.6 Local current density distribution of bus-bar 以电压矢量 100 为例，考虑正、负端子重合和不重合两种端子布局情况，有限元模型的仿真结果如图 7 和图 8 所示。直流母排上的通孔为电容孔，可以看出，对于型或型集成电容，由于电流的趋肤效应，使得直流母排上的电流主要沿着母排的边缘汇聚和流动，电流的传输路径基本一致。对于型集成电容，以电压矢量 100 对应的工况为例，直流母排上的电流传输路径，电压矢量 100时单端集成电容的电流分布如图 9 所示。电流路径 第 38 卷第 8 期 余 跃等 双面散热功率模块的低电感多端集成电容 2103 （a）型集成电容 （b）型集成电容 图 7 端子重合时单端集成电容的电流分布 Fig.7 Current distribution of single-ended integrated capacitor with overlapped terminals （a）型集成电