CN107766609A - 一种igbt模块的寄生电感提取方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种IGBT模块的寄生电感提取方法和装置，所述方法包括：建立IGBT模块的阻抗等效模型；获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗；根据所述端阻抗计算所述IGBT模块的寄生电感。该方案通过根据IGBT模块内部各个电路的特性建立其对应的阻抗等效模型，结合实验测量的方式分别获取该阻抗等效模型中每个支路的端阻抗，根据每个支路的端阻抗以及IGBT模块内部电感的分布情况计算得到每个支路的寄生电感，最终可以得到整个IGBT模块的寄生电感，与现有技术相比，将寄生电感参数的提取单独分出来，避免了将寄生参数设置为一个集总参数带来的数据分析上的不便，为IGBT模块的封装设计提供了更加准确的数据参考。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，具体涉及一种IGBT模块的寄生电感提取方法和装置。
背景技术
近年来，伴随电力电子器件制造技术的进步和变流技术的完善，基于绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor，IGBT)器件的功率变流装置的应用领域得到极大地拓展。随着器件结构的优化和新的工艺的出现，IGBT工作频率已可达到数十甚至近百kHz，开关时间已降到了微秒级，低功率时甚至达到了纳秒级。高频化的趋势使得功率变换器功率密度增加，动态响应能力提高，音频噪声降低。但是，在实际电路中，由于IGBT模块的杂散参数的存在，高频化也使IGBT快速开关过程中产生了很大的di/dt(2～5kA/μs)和dV/dt(3～5kV/μs)，进而造成器件关断瞬时电压过冲以及引起器件误触发，同时产生严重的电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)，因此降低IGBT模块内部杂散参数是IGBT封装设计中主要考虑因素之一。而想要降低IGBT模块内部杂散参数需要对IGBT模块的杂散参数进行提取，然后分析杂散参数对IGBT模块电气特性的影响，以便能够用于指导模块封装结构和功率回路布局设计。
现有的在电力电子系统中杂散参数的提取可以采用实验测量法，基于实验测量的方法有时域反射法(TDR,Time Domain Reflectometry)、谐振实验法、三端口法以及暂态波形抽取法等。实验测量方法是利用相应测量设备和测试电路，获得杂散参数的作用效应，如跳变沿的上升率和过冲大小、阻抗模和辐角的频率特性等，再通过专门的电路模型进行提取，因而属于间接提取法。现有的实验测量法建立的是集总参数的电感-电容(LC)模型，即IGBT模块中所有的寄生电感、寄生电容参数以集中表示的方式设定为一个总数，这种方法无法对结构复杂的IGBT模块的各个支路的杂散参数进行详细提取，因而在电路设计的初期无法对IGBT模块做出精确有效的杂散参数评估。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中对IGBT模块杂散参数的提取方案精确度较低。从而提供一种IGBT模块的寄生电感提取方法和装置。
有鉴于此，本发明实施例的第一方面提供了一种IGBT模块的寄生电感提取方法，包括：建立IGBT模块的阻抗等效模型；获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗；根据所述端阻抗计算所述IGBT模块的寄生电感。
优选地，所述建立IGBT模块的阻抗等效模型包括：获取所述IGBT模块中IGBT芯片的等效门极电路；根据所述等效门极电路和所述IGBT模块中IGBT芯片的排列布局获得所述IGBT模块的三端阻抗网络等效模型。
优选地，所述获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗包括：分别测量包含有IGBT晶体管的每个支路的端阻抗。
优选地，所述根据所述端阻抗计算所述IGBT模块的寄生电感包括：根据所述每个支路的端阻抗计算得到所述每个支路的寄生电感。
优选地，在获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗的过程中还包括：剔除仅包含电感的支路的端阻抗。
本发明实施例的第二方面提供了一种IGBT模块的寄生电感提取装置，包括：建立模块，用于建立IGBT模块的阻抗等效模型；获取模块，用于获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗；计算模块，用于根据所述端阻抗计算所述IGBT模块的寄生电感。
优选地，所述建立IGBT模块的阻抗等效模型包括：获取所述IGBT模块中IGBT芯片的等效门极电路；根据所述等效门极电路和所述IGBT模块中IGBT芯片的排列布局获得所述IGBT模块的三端阻抗网络等效模型。
优选地，所述获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗包括：分别测量包含有IGBT晶体管的每个支路的端阻抗。
优选地，所述根据所述端阻抗计算所述IGBT模块的寄生电感包括：根据所述每个支路的端阻抗计算得到所述每个支路的寄生电感。
优选地，在获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗的过程中还包括：剔除仅包含电感的支路的端阻抗。
本发明的技术方案具有以下优点：
本发明实施例提供的IGBT模块的寄生电感提取方法和装置，通过根据IGBT模块内部各个电路的特性建立其对应的阻抗等效模型，然后可以结合实验测量的方式分别获取该阻抗等效模型中每个支路的端阻抗，根据每个支路的端阻抗以及IGBT模块内部电感的分布情况即可计算得到每个支路的寄生电感，最终可以得到整个IGBT模块的寄生电感，如此，精确地提取到IGBT模块的寄生电感，与现有技术相比，将寄生电感参数的提取与寄生电容参数的提取区分开来，避免了将寄生参数设置为一个集总参数带来的数据分析上的不便，为IGBT模块的封装设计提供了更加准确的数据参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的IGBT模块的寄生电感提取方法的流程图；
图2为本发明实施例1的IGBT器件主电路与门极电路之间的电感耦合示意图；
图3为本发明实施例1的IGBT芯片门极等效电路的示意图；
图4为本发明实施例1的三端阻抗网络等效模型的示意图；
图5为本发明实施例2的IGBT模块的寄生电感提取装置的框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种IGBT模块的寄生电感提取方法，适用于对IGBT模块的寄生电感进行提取，如图1所示，该方法包括如下步骤：
S11：建立IGBT模块的阻抗等效模型；即根据IGBT模块内部各个电路的特性建立其对应的阻抗等效模型，合适的阻抗等效模型可以帮助更加精确的提取到寄生电感，因此在模型建立的时候应该充分考虑不同的IGBT模块的内部电路结构，已建立最为合适的阻抗等效模型。
作为一种具体的实施方式，步骤S11具体可以包括：获取IGBT模块中IGBT芯片的等效门极电路；根据等效门极电路和IGBT模块中IGBT芯片的排列布局获得IGBT模块的三端阻抗网络等效模型。具体地，为了获得IGBT模块中复杂的寄生电感分布，本市实施例以4个IGBT芯片两两并联后串联的IGBT模块为例，建立其对应的三端阻抗网络，具体分析如下：
由IGBT模块的一般特性可知，由于铝键合线断裂缺陷或IGBT芯片缺陷导致的IGBT器件杂散参数(包括寄生电感和寄生电容)变化会影响其门极电路(即门极外接驱动控制电路)的特性，这为通过测量和分析IGBT器件运行过程中门极电路的动态变化来辨识IGBT器件缺陷提供了一种可能，但是由于杂散参数的存在，门极电路同主电路之间存在电磁耦合，导致门极电路的暂态过程体现出强烈的非线性特征，增加了通过其动态变化提取缺陷辨识特征量的难度。如图2所示(电路的左半部分为“门极电路”，右半部分为“主电路”)，可以看出，在IGBT器件内部门极电路同主电路之间存在两条耦合通道，首先，在IGBT器件开通过程中，其发射极的铝键合线可能会同时流过门极弱电流和集电极大电流，成为门极电路和主电路之间的公共阻抗，从而将集电极电流及其变化的影响引入到门极电压，如公式(1)所示，是二者之间的电流耦合通道：
若以IGBT芯片的门极电压为分析对象，则由附图2可得IGBT芯片的等效门极电路，如图3所示，图中RG、LG分别为IGBT器件门极内部的等效寄生电阻和寄生电感，RE、LE分别为IGBT器件内部辅助发射极的等效寄生电阻和寄生电感，vge、vce分别表示IGBT芯片的门-射极电压和集-射极电压，V1、V2分别表示门极正负驱动电压，VCE表示IGBT器件集-射极电压，S1为控制信号，根据电路原理可知，vge满足公式(2)：
(2)式中，Lg＝L+LG+LE是门极电路的回路等效电感，Rg＝R+RG+RE是门极电路的回路等效电阻，而Cg是门极电路的回路等效电容：
(3)式中，gQ表示门极电荷，从公式(3)可知，由于电容CGC存在，主电路集-射极电压VCE的变化会对公式(2)带来非线性因素的影响，再加上公式(1)所给出的集电极电流IC的影响，IGBT器件门极电路的暂态过程过于复杂，直接将其变化用来作为缺陷特征量可能会混淆辨识结果。因此，为了更加准确的获取寄生电感，根据如图2和图3所示的等效电路、以及公式(1)至(3)的寄生参数机理分析，结合IGBT模块封装中芯片的排列布局，建立IGBT模块的三端阻抗网络等效模型，如图4所示。
S12：获取阻抗等效模型中每个支路的端阻抗；具体地，可以采用实验测量的方式，对步骤S11中建立的阻抗等效模型中每个支路进行阻抗测量，进而测得等效连接端阻抗，通过转换可以获得Y连接的支路阻抗。
作为一种优选方案，步骤12可以包括：分别测量包含有IGBT晶体管的每个支路的端阻抗，并且剔除仅包含电感的支路的端阻抗。在测量中发现若两端之间只有晶模存在，端与端之间的阻抗很容易测量。若两端只有绕线和铜板连接，阻抗测量容易受噪声干扰。因此，不使用只存在电感的阻抗值，例如如图4所示的EG1-E1/C2的阻抗值，如此，对测量数据进行过滤，不仅可以节省计算量，而且可以避免不准确的阻抗值的干扰，提高了提取寄生电感参数的精确度。
S13：根据端阻抗计算IGBT模块的寄生电感。即根据每个支路的端阻抗以及IGBT模块内部电感的分布情况即可计算得到每个支路的寄生电感，最终可以得到整个IGBT模块的寄生电感，如此，精确地提取到IGBT模块的寄生电感，与现有技术相比，将寄生电感参数的提取与寄生电容参数的提取区分开来，避免了将寄生参数设置为一个集总参数带来的数据分析上的不便，为IGBT模块的封装设计提供了更加准确的数据参考。
作为一种优选方案，根据端阻抗计算IGBT模块的寄生电感包括：根据每个支路的端阻抗计算得到每个支路的寄生电感。具体地，以如图4所示的等效模型为例，测量计算寄生电感的步骤如下：
步骤一：测量由C1、E1/C2、E2组成的三端网络的端阻抗，例如阻抗ZC1E2、ZC1E1，三端阻抗获得后，电感L6可以确定，同样可以确定LC1O和LOE2；
步骤二：测量由G1、C1、E1/C2组成的网络阻抗，确定L1、L2的自感及Lpo＝L2+L3；
步骤三：测量由EG1、C1、E1/C2组成的网络阻抗，确定L3、L4、L5；
步骤四：测量G1、EG1的总阻抗，L2、L4的自感已经确定，耦合电感可以很容易确定。
需要说明的是，上述步骤一至步骤四的顺序并不固定，可以根据实际情况进行调整。通过上述四步的测量，如图4所示的阻抗等效模型中所有的与半桥IGBT模块的上管的寄生电感可以得到确定，根据实际需要，可以将同样的测量方式应用于IGBT模块的下管，最终获取到整个IGBT模块的全部寄生电感。如表1所示，为采用上述方式测得的4个IGBT芯片两两并联后串联的IGBT模块的寄生电感：
表1 IGBT模块寄生参数分布
| 寄生电阻RS/Ω | 寄生电感LS/nH | |
| 芯片1 | 0.0452 | 39.9 |
| 芯片2 | 0.0561 | 52.4 |
| 芯片3 | 0.0447 | 39.8 |
| 芯片4 | 0.0560 | 51.5 |
| 四管并联总寄生参数 | 0.0209 | 28.6 |
需要说明的是，除了寄生电感，半导体晶模以及底板之间寄生电容对共模噪声产生也是很重要的，由于集电极侧在叠层结构的底端，很多目前的封装技术将IGBT晶模的集电极侧直接焊接在直接接触的铜板上。而IGBT晶模的发射极侧由于在叠层结构的顶端，因此封装时通过铝线绑在铜的焊盘上。当从任何IGBT封装端到底板可以测量寄生电容之和。由于IGBT内部极间电容比寄生电容大得多，因此当测量寄生电容时，IGBT晶模等效短接。事实上不管两个或三个端口短接，测量的端到底板的电容值基本相同。根据各端相连的铜焊盘面积，寄生电容能相应计算得到。
本实施例提供的IGBT模块的寄生电感提取方法，通过根据IGBT模块内部各个电路的特性建立其对应的三端阻抗网络等效模型，然后可以结合实验测量的方式分别获取该等效模型中每个支路的端阻抗，根据每个支路的端阻抗以及IGBT模块内部电感的分布情况即可计算得到每个支路的寄生电感，最终可以得到整个IGBT模块的寄生电感，如此，精确地提取到IGBT模块的寄生电感，与现有技术相比，将寄生电感参数的提取与寄生电容参数的提取区分开来，避免了将寄生参数设置为一个集总参数带来的数据分析上的不便，为IGBT模块的封装设计提供了更加准确的数据参考。
实施例2
本实施例供了一种IGBT模块的寄生电感提取装置，如图5所示，该装置包括：建立模块51、获取模块52和计算模块53，各模块主要功能如下：
建立模块51，用于建立IGBT模块的阻抗等效模型；具体参见实施例1中对步骤S11的详细描述。
获取模块52，用于获取阻抗等效模型中每个支路的端阻抗；具体参见实施例1中对步骤S12的详细描述。
计算模块53，用于根据端阻抗计算IGBT模块的寄生电感。具体参见实施例1中对步骤S13的详细描述。
作为一种优选方案，建立IGBT模块的阻抗等效模型包括：获取IGBT模块中IGBT芯片的等效门极电路；根据等效门极电路和IGBT模块中IGBT芯片的排列布局获得IGBT模块的三端阻抗网络等效模型。具体参见实施例1中的相关详细描述。
作为一种优选方案，获取阻抗等效模型中每个支路的端阻抗包括：分别测量包含有IGBT晶体管的每个支路的端阻抗。具体参见实施例1中的相关详细描述。
作为一种优选方案，根据端阻抗计算IGBT模块的寄生电感包括：根据每个支路的端阻抗计算得到每个支路的寄生电感。具体参见实施例1中的相关详细描述。
作为一种优选方案，在获取阻抗等效模型中每个支路的端阻抗的过程中还包括：剔除仅包含电感的支路的端阻抗。具体参见实施例1中的相关详细描述。
本实施例提供的IGBT模块的寄生电感提取装置，通过根据IGBT模块内部各个电路的特性建立其对应的阻抗等效模型，然后可以结合实验测量的方式分别获取该阻抗等效模型中每个支路的端阻抗，根据每个支路的端阻抗以及IGBT模块内部电感的分布情况即可计算得到每个支路的寄生电感，最终可以得到整个IGBT模块的寄生电感，如此，精确地提取到IGBT模块的寄生电感，与现有技术相比，将寄生电感参数的提取与寄生电容参数的提取区分开来，避免了将寄生参数设置为一个集总参数带来的数据分析上的不便，为IGBT模块的封装设计提供了更加准确的数据参考。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种IGBT模块的寄生电感提取方法，其特征在于，包括：
建立IGBT模块的阻抗等效模型；
获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗；
根据所述端阻抗计算所述IGBT模块的寄生电感。
2.根据权利要求1所述的IGBT模块的寄生电感提取方法，其特征在于，所述建立IGBT模块的阻抗等效模型包括：
获取所述IGBT模块中IGBT芯片的等效门极电路；
根据所述等效门极电路和所述IGBT模块中IGBT芯片的排列布局获得所述IGBT模块的三端阻抗网络等效模型。
3.根据权利要求2所述的IGBT模块的寄生电感提取方法，其特征在于，所述获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗包括：
分别测量包含有IGBT晶体管的每个支路的端阻抗。
4.根据权利要求3所述的IGBT模块的寄生电感提取方法，其特征在于，所述根据所述端阻抗计算所述IGBT模块的寄生电感包括：
根据所述每个支路的端阻抗计算得到所述每个支路的寄生电感。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的IGBT模块的寄生电感提取方法，其特征在于，在获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗的过程中还包括：
剔除仅包含电感的支路的端阻抗。
6.一种IGBT模块的寄生电感提取装置，其特征在于，包括：
建立模块，用于建立IGBT模块的阻抗等效模型；
获取模块，用于获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗；
计算模块，用于根据所述端阻抗计算所述IGBT模块的寄生电感。
7.根据权利要求6所述的IGBT模块的寄生电感提取装置，其特征在于，所述建立IGBT模块的阻抗等效模型包括：
获取所述IGBT模块中IGBT芯片的等效门极电路；
根据所述等效门极电路和所述IGBT模块中IGBT芯片的排列布局获得所述IGBT模块的三端阻抗网络等效模型。
8.根据权利要求7所述的IGBT模块的寄生电感提取装置，其特征在于，所述获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗包括：
分别测量包含有IGBT晶体管的每个支路的端阻抗。
9.根据权利要求8所述的IGBT模块的寄生电感提取装置，其特征在于，所述根据所述端阻抗计算所述IGBT模块的寄生电感包括：
根据所述每个支路的端阻抗计算得到所述每个支路的寄生电感。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的IGBT模块的寄生电感提取装置，其特征在于，在获取所述阻抗等效模型中每个支路的端阻抗的过程中还包括：
剔除仅包含电感的支路的端阻抗。
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