** 前 言 **

01

大家好，我們都知道無論是功率半導體模塊封裝設計還是功率變換器的母線設計，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 開關振蕩及過壓風險 ，今天我們結合主流功率半導體廠商的SiC MOSFET模塊，聊一下低雜感模塊封裝內部是如何設計的？

** 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。當線圈通過電流后，在線圈中形成磁場感應，感應磁場又會產生感應****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系稱為電的感抗，也就是電感 ，以美國科學家約瑟夫·亨利命名，單位：H mH uH nH，數量級依次減小10^3倍。

對于常規的電感比較好理解，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部產生磁通。如果從能量角度理解： 電感器是能夠把電能轉化為磁能而存儲起來的元件，電感電流不能突變的本質原因是電流產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，默認為常數，電感與磁場中的磁鏈關系如下圖：

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計出來的，是附加或寄生在導體上產生的，量級一般是nH 級 ， 任何一根導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，但電感與磁鏈的關系 依然滿足L= ? /I 。以矩形截面導體為例，雜散電感Lσ主要分為內電感Lin和外電感 Lext 。 其中，內電感Lin由導體內部的磁鏈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電流都走表面，導體內部沒有電流，也就不存在磁鏈了；外電感Lext由導體外部的磁鏈Ψext引起，由導體結構決定，與頻率無關，高頻狀態下，電感主要表現為外電感 Lext 。

關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 **

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

電路1： 寬導體比窄導體雜感小 ，這個不難理解，可以把導體流過的電流想象成無數個并聯的電流線，這樣導體越寬，電流產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體比平行導體雜感小 ，這個也很好理解，電流方向相反，上下電流產生的磁通就會抵消，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，電流相反的段數越多雜感也就越小。

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

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線做寬，要么就是導線疊層，且距離越近越好，但本質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， 該模塊封裝內部的雜感為11.1nH 。模塊的內部結構如下圖所示， 正負連接銅排在模塊內部采用疊層方式 ，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， 模塊內部雜感為6.7nH 。

模塊的內部結構如下圖，可以看出 正負母線導體沒有底層，但導體相對較寬 ，而且內部芯片并聯， 電流的方向都是平行并聯的，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，模塊內部的雜感在4.9nH。

模塊的內部結構如下圖，正負母線在兩側，且沒有疊層，但 正負母線比XM3封裝更寬 ，這樣可以進一步減小一部分雜感。

** Rohm 模塊封裝 **

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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****內部雜感為25n H ， E type****內部雜感為13n H ， G type****內部雜感為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模塊的內部結構如下圖：

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模塊的內部結構如下圖：

可以看出E type封裝比C type電流路徑平行的段數變多了，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部圖片，猜測可能和E type差不多，只是內部并聯的芯片數量會更多一些，因此電感相比E type會小一些。