导言：寄生参数是电路非理想特性的核心来源，其影响随频率升高和功率增大会更加显著；对于如宽禁带半导体等高频大功率应用场景，寄生参数控制是决定系统性能的关键因素。同时在所有功率模组的数据手册中，通常也会定义模块的寄生电感值，当前在行业内，除了要求功率模组的寄生电感值，甚至会比较搭载功率模块后系统的寄生电感要达到什么水平，比如在刚刚过去的TMC会议上，理想汽车就展出了系统电感为10nH的功率模块，成为了行业内新的标杆。本文试图将什么是寄生电感，寄生电感的影响是什么，如何测量寄生电感及如何优化等问题试图逐个说明，同时对于如何对寄生电感进行仿真计算做出一些说明。
目录
1.寄生电感
1.1寄生参数及寄生电感频率依赖特性
1.1.1寄生参数定义
1.1.2寄生电感及其组成分量
1.1.3寄生电感频率依赖特性
1.2寄生电感参数对功率模块开关特性影响
1.2.1直流母线环路电感对IGBT功率模块开关特性影响
1.2.2直流母线环路电感对SiC功率模块开关特性影响
1.2.3栅极环路电感对IGBT功率模块开关特性影响
1.2.4栅极环路电感对SiC功率模块开关特性影响
1.2.5电感对IGBT和SiCMOSFET功率模块开关特性影响总结
2.功率模组寄生电感
2.1功率模组寄生参数影响因素
2.2功率模组寄生电感电压超调定量分析示例
2.3功率模组几何参数影响寄生电感的定性分析
2.3.1功率模组设计参数影响寄生电感
2.3.2衬底物理/电学设计影响走线特征阻抗
2.3.3键合线寄生参数技术分析
2.3.4导线特性影响寄生电感
2.4功率模组寄生电感测试方法
2.5降低寄生电感的方法(知识星球发布)
2.5.1赛米控丹佛斯低杂散电感功率模块设计
2.5.2ST双面冷却功率模块封装电感优化
2.6功率模组封装多目标设计系统工程
3.系统寄生电感
3.1系统寄生电感定义及其不利影响
3.2系统寄生电感仿真方法介绍(知识星球发布)
3.2.1基于FEA仿真的分析方法
3.2.2基于阻抗分析仪并分析时域波形
3.3系统寄生电感优化方法及缓解策略(知识星球发布)
4.总结(知识星球发布)
一、寄生电感
1.1寄生参数及寄生电感频率依赖特性
1.1.1寄生参数定义
寄生参数是指电子元件或电路中由于结构、材料、工艺等非理想因素，不可避免产生的额外电气参数，包括寄生电感、寄生电容和寄生电阻。这些参数并非设计初衷，但会对电路性能、信号传输、系统稳定性等产生重要影响，这些寄生参数是电路非理想特性的核心来源，其影响随频率升高和功率增大会更加显著。对于如宽禁带半导体等高频大功率应用场景，寄生参数控制是决定系统性能的关键因素。
1.1.2寄生电感及其组成分量
电感是电导体阻碍流过它的电流变化的趋势，寄生电感也会阻碍流经其电流的变化。当电流流经导体时，会在导体周围感应出磁场，磁场强度取决于电流的大小。根据法拉第电磁感应定律，线圈附件变化的磁场将导致线圈中感应出电动势(EMF)，由于这种EMF，线圈电感阻碍流过它的电流的增加或者减少。
导体感应的电磁场会影响导体中电子的运动，以及任何附近导体中电子的运动。因此，电感可以分为自感和互感，导体的自感是由导体自身产生的电磁场影响引起的，互感是由于附近另一电路中流动的电流而在一个电路中感应出的电压引起的。自感可以进一步分为两个部分：内部自感和外部自感，内部自感考虑储存在导体边界内的总磁能，外部自感考虑存储在导体边界外的磁能。导体环路的总自感包括内部和外部电感的贡献，如下图所示为电感的各种分量。
1.1.3寄生电感频率依赖特性
理想电感具有恒定的电感值，与流过它的电流频率无关。实际电感与理想电感的不同之处在于其是与频率相关的，如下图所示为实际电感趋势(紫色)和理想电感趋势（蓝绿色）之间的比较，在实际情况下，电感值随频率变化，而在理想情况下，电感值随频率没有明显变化。
涡流是导电结构，功率模块和电力电子转换装置系统阻抗的频率依赖性的主要原因。涡流是由导体附件变化的磁场在导电结构内感应出的分布式店里环路，涡流与导电结构内的两种重要现象相关：集肤效应和邻近效应。
集肤效应是指交流电在到体内分布的趋势，使得电流密度在导体表面附近最大，并向导体中心逐渐减小。这是由于感应的时变磁场，在导体内产生电场，导致电流在截面上分布不均匀。对于甚高频应用，电流聚集非常严重，几乎所有电流都在导体材料表面的薄层中流动，从而产生一个关键参数，称为集肤深度，集肤深度定义为导体中电流密度降至其表面值的e(-1)的深度。
邻近效应描述了由附近载流导体相关的磁场引起的涡流的存在，当两个或多个载有高频电流的导体紧密间隔时，可能会发生邻近效应。
如下图所示为高频下导体中集肤效应和邻近效应的效果图，图中标记为黄色的区域中电流聚集，而在标记为紫色的区域中几乎没有观察到电流。集肤效应在高频下降电流流动集中在导体表面附近，这减少了导体中磁场显著的体积，有效地减少了内部磁场。因此，由于集肤效应，导体的内部电感随频率的增加而减小；其次，邻近效应导致导体周围的磁场相互作用，这些场的相互作用导致每个导体内的电流重新分布，进一步影响外部磁场和内部电感。
1.2寄生电感参数对功率模块开关特性影响
寄生电阻会消耗电路中的电压，会造成电源供电不变情况下，门极电压无法达到门限的情形，同时还会增加功率回路中的导通电阻Rdson。
根据电感产生电压的数学公式：
，寄生电感会导致过压超调，电压信号振荡以及功率损耗。如下图所示。
寄生电感会引起超调和信号振荡，电压超调会增大开关损耗，而信号振荡和振铃现象也会增大功率损耗。
1.2.1 直流母线环路电感对IGBT功率模块开关特性影响
为分析直流母线环路电感的影响，在直流母线电容和模块之间增加了母线排（母线排设置导致母线环路电感不同），如下图所示。
较高的直流母线环路电感设置在开通时由于较高的VCE电压降而具有较低的Eon。然而，从系统层面考虑，必须增加RG(on)以使其EMI水平与较低的直流母线电感相当。
对于IGBT，直流母线电感在关断时对VCE过冲电压的水平起着重要作用，因为关断di/dt受外部RG(off)的影响不大。较高的VCE过电压会导致RBSOA性能恶化，因此需要根据直流母线环路电感调整RG(off)。下图展示了优化RG(on)后不同直流母线环路电感设置下IGBT开通时的波形对比，调整RG(on)直到其VF水平与原始23nH测试设置相似，因为VF峰值和振荡是MHz范围内的主要EMI噪声源之一。下表结果表明，优化RG(on)后的较高直流母线环路电感设置表现出较高的Eon和较慢的di/dt。
下图展示了优化RG(off)后不同直流母线环路电感设置下IGBT关断时的波形对比。为了使VCE过冲水平与原始23nH设置相似，较高的环路电感设置使用了较高的RG(off)；如下表结果表明，较高的直流母线环路电感设置表现出较高的Eoff和较慢的dV/dt。
1.2.2 直流母线环路电感对SiC功率模块开关特性影响
较高的直流母线环路电感设置在开通时由于较高的VDS电压降而具有较低的Eon；然而，从系统层面考虑，必须增加RG(on)以补偿VSD电压峰值/幅度和EMI水平，此外，较高的VDS过电压会导致RBSOA性能恶化，因此需要根据直流母线环路电感设置调整RG(off)。下图展示了优化RG(on)后不同直流母线环路电感设置下SiCMOSFET开通时的波形对比，调整RG(on)直到其VSD水平与原始23nH测试设置相似，因为VSD峰值和振荡是MHz范围内的主要EMI噪声源之一。下表结果表明，较高的直流母线环路电感设置表现出较高的Eon和较慢的di/dt。
下图展示了优化RG(off)后不同直流母线环路电感设置下SiCMOSFET关断时的波形对比。为了使VDS过冲水平与原始23nH设置相似，较高的环路电感设置使用了较高的RG(off)。结果表明，较高的直流母线环路电感设置表现出较高的Eoff和较慢的dV/dt。
1.2.3栅极环路电感对IGBT功率模块开关特性影响
为分析栅极环路电感的影响，在栅极驱动板和模块之间增加了外部插座或导线，如下图所示。
下图展示了不同栅极环路测试设置下IGBT开通时的波形对比，其特性总结如下表所示。较长的栅极环路测试设置表现出较低的Eon和较快的di/dt，栅极环路电感主要由栅极环路长度引起，栅极环路电感会在开通开始时减缓电流的上升。当栅极电压达到米勒平台时，环路电感起到电流源的作用，该电流源可以通过向栅极提供更多电流来加快di/dt，栅极环路长度对开通特性的影响不如直流母线环路显著。同时，较高的栅极环路电感会增加栅极电压的过冲，这可能导致通过RG失去控制能力。
下图展示了不同栅极环路电感设置下IGBT关断时的波形对比，其特性总结如下表所示。关断特性受影响的程度小于开通特性；在关断开始时，栅极环路电感会导致下冲电压略有不同，但这不会影响关断特性；当栅极电压达到米勒平台时，dV/dt和di/dt会因下冲而略有变化，但会在短时间内被栅极灌电流迅速覆盖。
1.2.4栅极环路电感对SiC功率模块开关特性影响
下图展示了不同栅极环路测试设置下SiCMOSFET开通时的波形对比，其特性总结如下表所示。与IGBT的情况类似，较长的栅极环路测试设置表现出较低的Eon和较高的VSD.peak电压，同时di/dt更快。
下图展示了不同栅极环路电感设置下SiCMOSFET关断时的波形对比，其特性总结如下表所示。较高的栅极环路电感测试设置表现出较低的Eoff和更快的di/dt，尽管VDS过冲电压较高；关断后，ID的振荡幅度（可能成为EMI噪声源）取决于栅极环路的长度。
1.2.5电感对IGBT和SiC MOSFET功率模块开关特性影响总结
在优化外部RG之前，较高的直流母线环路电感设置显示出相似的总开关损耗，但在为系统性能优化外部RG后，当直流母线环路电感从23nH变为37nH时，IGBT和SiC的总损耗分别增加了20%和92%。
较高的栅极环路电感设置由于米勒平台后的电感效应，会使开通瞬态稍快。从开关损耗的角度来看，其影响不如直流母线环路电感显著；然而，由于不必要的栅极过冲，较高的栅极环路电感设置会降低栅极的可控性；在短路事件中，这种电感会拉高栅极电压，因此，由于栅极电压的增加，短路耐受时间会缩短；此外，较长的栅极环路具有较低的电磁噪声抗扰度，或会干扰其他电路，因为它可以作为天线。
对于IGBT/SiC开关应用，最小化直流母线和栅极环路电感对于获得具有可控性和EMC效果的较低开关损耗至关重要。
二、功率模组寄生电感
2.1功率模组寄生参数影响因素
如下图所示为功率模块封装结构示意图，一般包括SiC/IGBT裸片，DBC衬底，功率端子，以及键合线，功率模块的这些子部件都会对功率模块的寄生参数产生影响。具体可以表现在互联方式(引线键合，焊点以及铜线迹线)，基底材料（基底中的介电层）和电路layout(由于电流路径形成的环形区域)。
2.2功率模组寄生电感电压超调定量分析示例
如下图所示，由于功率模块封装的互联方式，基底材料和电路layout造成的寄生电感通常包含多个部分，比如下图中的L1到L7所示，通过定量分析结果，原本母线电压在860V的应用，超调后系统电压达到了1143.5V，同时还会造成信号振荡和功率损耗。
2.3功率模组几何参数影响寄生电感的定性分析
2.3.1功率模组设计参数影响寄生电感
功率模组设计的几何尺寸参数会影响杂散电感和电容值，如下图所示，杂散电感随走线周长增加而降低(铜层走线周长从铜层厚度t1=15um和铜层宽度d=25um变为铜层厚度t1=23um和铜层宽度d=50um后，杂散电感从L=0.47nH/mm降低到0.38nH/mm)，同时随走线与地平面距离的增加而增大（相同铜层走线周长时，陶瓷厚度从t2=50um编程100um时，杂散电感从0.47nH/mm变为0.58nH/mm）。SiC或者IGBT功率模组设计中，可以通过增加并联走线或者采用短而宽的铜排降低寄生电感，同时尽量减功率层与地面间的间距，以降低回路电感。
2.3.2衬底物理/电学设计影响走线特征阻抗
走线阻抗(TraceImpedance)是由导体/电介质的物理尺寸(如宽度，厚度和高度)和电气特性(如电导率，介电常数和损耗角正切)共同决定，本质是通过改变电阻R,寄生电感L，寄生电容C和电介质的漏电导G等参数影响阻抗Z。
以导体(铜)+电介质(陶瓷)+导体(铜)的结构为例，铜层特性为窄宽度和薄厚度(意味着较大的R和L)，同时电介质特性为大高度(意味着较小的C和G)时，走线呈现高阻抗；反之，铜层特性为宽宽度和厚厚度(意味着较小的R和L)，同时电介质特性为底高度(意味着较大的C和G时)，走线呈现低阻抗，如下图所示。
2.3.3键合线寄生参数技术分析
通过比较左侧双导线(wire1+wire2)和右侧(无限多平行线)的两组物理模型，计算相关电感值，包含自感(与线长，半径相关)，互感（两根导线间的互感），对地互感(导线对地的互感)，以及总电感，可以得出Table2的结论：并联的导线数量越多，电感值越小。
通过增加并联键合线数量，或者用Clip(金属夹)的方式可以优化寄生电感，是功率模组封装设计的关键思路。
2.3.4导线特性影响寄生电感
如下图所示，对于截面积为1平方毫米，长度为10cm的圆形电缆，单根导体传输电流时，导线的自感为100nH，当导线呈现“正向+返回电流”时，由于正向磁场与返回磁场部分抵消，因此可以显著降低自感，可以降低至50nH;
对于厚度35um,宽度30mm和长度10cm的扁平导体，同样对比单根电流与“正向+返回电流”的自感，单根导体时，由于电流产生的磁场未被抵消，因此自感较高为50nH，平行导体布局后，由于引入返回电流，磁场可以得到一部分抵消，因此自感显著降低到5nH；进一步通过“多层堆叠平行导体”后，磁场抵消更为充分，因此自感进一步降低至3nH。
平行导体布局+返回电流靠近正向电流的导线设计，可以部分抵消磁场，从而降低寄生电感；导线的形状和电流返回路径的设计，直接影响寄生电感，通过让返回电流与正向电流平行且靠近，可以有效减小寄生电感，是功率模组设计中优化寄生参数的关键思路。
2.4功率模组寄生电感测试方法
测试手段：双脉冲测试(DoublePulseTest)，对于IGBT和SiC功率模组都采用双脉冲测试的工作原理如下图所示，重点关注首次关断(firsttuningoff)和二次开通(second)过程。
分析指标包含：开通/关断能量Eon和Eoff，开关性能，栅极电压和电流分布。
2.5降低寄生电感的方法(知识星球发布)
2.6功率模组封装多目标设计系统工程
功率模组低电感的设计是一个多目标优化设计的系统工程，需要综合权衡所有设计自由度(包括机，电，热，环境和组装等方面)。电性能需要考虑高功率密度，低连接电阻，最小化寄生参数(R,C,L)；机械性能需要考虑抗机械负载，抗热机械负载，低膨胀系数失配等；热性能需要均衡封装内温度分布，高效散热，同时选用低热阻材料；环境防护需要确保耐受湿度，温度等环境条件，抗腐蚀，电气绝缘等；组装技术需要考虑成本优化，小型化，智能工艺流程和智能材料应用的。
三、系统寄生电感
3.1系统寄生电感定义及其不利影响
电力电子在系统中存在的方式有分立元件和功率模块的方式，市场上常见的形式有分立器件，半桥形式和三相全桥形式，如下图所示，随着封装形式的复杂，其封装形式的热管理和高功率输出管理也变得更复杂。
电力电子系统中寄生电感取决于系统拓扑结构及其在电路中的位置，对寄生电感关注最为敏感的环路中通常包含高频电流，这些环路通常称为换流路径。通常换流路径包括系统和模块，因为如果仅仅功率模组的寄生电感较小，而系统中的寄生电感较大，也不是最终想要达到的效果，例如，使用6nH的模块和100nH的母线将导致106nH的环路，这样即使功率模块再优化，也不能抵消母线的寄生电感影响。
换流路径通常定义为从DC+到DC-端子，如下图中的半桥模块(b)和三相全桥模块(c)所示；对于图(a)中的分立器件，寄生电感由漏极到源极的端子提供，但是总的换流路径需要至少包括两个串联的元件，以及连接的系统。
如下图所示的电机控制器等电力电子系统应用中，寄生电感的存在会导致以下不利影响：
电压过冲：高dV/dt会在开关事件器件在感性元件上引起电压尖峰，从而增加半导体器件的应力并引入潜在的可靠性问题。
EMI产生：杂散电感引起的过度振铃会产生电磁干扰（EMI），这可能会干扰附近的电子设备，并可能违反法规限制。
开关损耗：杂散电感限制了功率器件的最大开关速度。高杂散电感会减慢开关时间，增加开关损耗，并降低效率。
发热：与杂散电感相关的开关损耗增加需要更多的冷却，从而影响逆变器的整体热管理。
四、总结
电力电子功率回路中寄生电感过大的系统会导致电压过冲和振荡，如果功率模块一旦设计完成，就只能通过增加栅极电阻来管理过冲电压；然而，这将增加开关损耗并降低效率，因此有必要设计寄生电感最小的功率模组和系统。
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