叠层设计原理知多少

在功率半导体发展历史上，功率半导体可以分为三代：

第一代半导体材料：锗、硅等单晶半导体材料

第二代半导体材料：砷化镓、磷化铟、锑化铟等化合物半导体材料

第三代半导体材料：以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料

第三代半导体材料可以满足现代社会对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等新要求，且其拥有体积小、污染少、运行损耗低等经济和环保效益，因此第三代半导体材料正逐步成为发展的重心。当前主流的第三代半导体材料为碳化硅与氮化镓，前者多用于高压场合如智能电网、轨道交通；后者则在高频领域有更大的应用（5G等）。

碳化硅行业俨然已成为功率半导体器件行业的新战场。

碳化硅功率器件具有高开关速度的特点,其开关损耗低,开关频率高,对实现电力电子变换器的高效率及高功率密度具有明显优势,致使碳化硅功率器件在电力电子变换器中尤其是新能源汽车领域的广泛应用前景。但是碳化硅功率器件的高开关速度也为其应用带来了一些问题和挑战，快速的暂态过程使开关性能对回路的寄生参数更加敏感，寄生电感对碳化硅MOSFET开关性能的影响变成了对碳化硅器件的设计挑战。

碳化硅器件的电流变化率远高于硅基器件, 根据dV=L*di/dt得知，反向偏置电压尖峰会跟器件的杂散电感有直接关系，对于器件的开关损耗，开关安全，性能稳定和可靠性都有巨大的影响。

因此在碳化硅MOSFET器件的研究和设计方案中，相对于硅基器件对整体器件的电流回路，结构设计中的电感设计都提出了更加苛刻的要求，叠层设计就是其中非常关键和常用的方法之一，但是往往在使用中因为对叠层的原理和基本理解不够，可能会达不到应有的效果或者产生不必要的浪费，本文就想通过一些已有的文献以及自己的总结用简单易懂的方式来探讨下叠层原理。

要了解叠层，首先要了解电感！

电感是闭合回路的一种属性，是一个物理量。当电流通过线圈后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗，也就是电感，单位是“亨利（H）”。

换句话说，电感，其实是电磁感应的一个表征。那电磁感应原理是哪里来的呢？

这个就要从奥斯特实验说起，1820年4月的一天，丹麦科学家奥斯特在上课时，无意中让通电的导线靠近指南针，他突然发现了一个现象。这个现象并没有引起在场其他人的注意，而奥斯特却是个有心人，他非常兴奋，紧紧抓住这个现象，接连三个月深入地研究，反复做了几十次实验。

显示通电导线周围存在着磁场的实验。如果在直导线附近（导线需要南北放置），放置一枚小磁针，则当导线中有电流通过时，磁针将发生偏转。这一现象由丹麦物理学家奥斯特（Hans Christian Oersted,1777—1851）于1820年7月通过试验首先发现。

进一步的又要引入一个对本次文章很重要的一个关键点：电生磁的磁场方向！

这我们就需要重新温习一下大家都学习过的安培定则，安培定则，也叫右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向直导线中电流方向，那么四指指向就是通电导线周围磁场的方向；通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

好了，当我们了解了电感，电磁，磁场方向这些基本信息和理论后，我们来结合实际看看在功率半导体中他的杂散电感和感生电动势是怎么回事呢？

杂散电感是指由电路中的导体如：连接导线、元件引线、元件本体等呈现出来的等效电感. 电感是导体的一种性质，用导体中感生的电动势或电压与产生此电压的电流变化率之比来量度。

我们以一个简单的半桥电路来举例看一下：

本文章简单选择主要的DC+-DC-回路电感来分析，如图所示，Lt=Lh+Ll.上桥臂中的导体产生的电感可以等效为一个Lh，下桥臂中的导体产生的电感可等效为一个Ll。那这个电感是什么呢？从前文可知电感是电流通过线圈后的在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。那我们可以把上图中电感标识符号等效的看为两个线圈，电流方向从DC+到DC-.，如下图所示：

这个图形是理论上的电感磁场，那么实际是否存在电生磁的现象呢，这里可以借鉴一份公开的学术报告里面的一组实验来了解（探究直流导线周围磁场的变化-物理实验2011年11月刊），实验原理图如下：

通过直流导线产生磁场的实验电路图

图中，Ｒ 为变阻器，Ｋ为换向开关，ａｂ为直导线，Ｇ为灵敏电流计（零位在中间），ａｂ垂直于Ｐ所在的平面，Ｐ，Ｐ为螺绕环，是在磁导率为μ 的圆环形芯子上，均匀而紧密地绕有Ｎ匝的线圈。

1）当ａｂ中的Ｉ恒定时，Ｇ的指针指零

2）通过Ｋ改变ａｂ中Ｉ 的方向时，Ｇ 的指针发生瞬时偏转

3）通过Ｋ接通或断开ａｂ中的Ｉ 时，Ｇ 的指针均发生偏转，但方向相反

4）利用变阻器Ｒ迅速增加ａｂ 中的Ｉ 值时，Ｇ的指针发生偏转

5）利用变阻器Ｒ迅速减少ａｂ 中的Ｉ 值时，Ｇ的指针向反向偏转

从实验可见，变化的电流导致穿过线圈的磁场磁通量变化，导致线圈产生感生电动势，所以我们可以以可见的方式得到了验证，电生磁，磁生电现象。

那再回到我们的文章重点，回路中的磁场怎么能减少和消除呢？首先，我们插入介绍一个东东，叫做双线绕法线圈。

双线绕法线圈

根据之前我们所说，安培定则，电流方向相反，感生磁场方向也相反，所以通过线圈的综合磁通量变化为零，所以无法产生感生电动势，等效电感为零。

所以我们知道要想做到尽可能的降低通路等效电感，那就是要无限接近双绕线法的原理。那么我们可以将之前的半桥回路电感示意图，稍加变化，折叠，即可看到上下桥臂的电感线圈无限接近，相反方向电流产生的感应磁场也无限接近和重叠，∞接近双绕线线圈，故而达到降低电感的效果，如图：

无限接近的上下桥电感线圈

可见当两条反向通路无限靠近重叠时，中间区域的磁场重叠面积越来越大，反向磁场叠加抵消，从而降低电感效应。到这里，我们大概就了解了叠层的原理了吧，就是利用电磁感应现象，通过双线绕法的基本原理，让回路中反向电流的通路尽可能的平行重叠，无限接近双线绕法的叠加磁场线圈，从而实现无限接近于零的综合电感。

在实际案例中，往往是铜排或者平面行的端子，那我们怎么去理解呢？其实原理是一样的，在平面上流动的电流线分布，即可等效视为无限小的单条导线，大致原理转换如下：

那怎么验证呢，这里也可以借鉴一个公开的报告中的实验结果和数据来说明：

当叠层无限靠近时电感变化

当叠层区域变化时电感变化

供稿：朱贤龙

编辑：刘茜娜

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