SiC 기반 멀티칩 파워 모듈의 기생인덕턴스 저감 및 균일화 설계 방법

Parasitic Inductance Reduction and Balancing for SiC-Based Multi-Chip Power Modules

본 논문에서는 기생 인덕턴스(parasitic inductance)의 저감 및 균일화 방안을 제안한다. 최근 전기차(electric vehicle, EV)의 출력 증가에 따라고전력 구동이 요구되면서, 제한된 공간 내에서 높은 전력 밀도를 구현할 수 있는 멀티칩(multi-chip) 구조의 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 기반 파워 모듈의 활용이 증가하고 있다. 이러한 구조에서는 여러 개의 SiC 소자를 병렬로 연결하여 단일 소자처럼 동작시키는것이 일반적이나, 각 소자 간 기생 인덕턴스 및 기타 기생 성분의 불균일성으로 인해 전류 밀도의 불균형, 전압 오버슈트(overshoot), 및 그에따른 국부 발열이 발생하여 모듈의 신뢰성과 효율성 저하를 초래한다. 본 연구에서는 기존 파워 모듈 기술의 동향을 분석하고, 이를 바탕으로기생 인덕턴스를 효과적으로 저감하고 SiC 소자 간 인덕턴스 편차를 최소화할 수 있는 신규 파워 모듈 구조를 제안한다. 제안된 구조는 양면방열(double-sided cooling, DSC) 기법을 적용하여 열 관리를 최적화하였으며, 다중 전력 루프(multi-power loop)를 형성하고 루프 간 자기장을 상쇄하는 interleaved 구조를 기반으로 설계되었다. 여기에 추가적으로 cavity 구조를 도입하여 전류 경로의 균일화를 도모함으로써, 모듈내 소자 간 기생 인덕턴스 차이를 더욱 감소시켰다. 시뮬레이션 및 실험 결과, 제안된 구조는 기존 interleaved 모듈 대비 최대 전류 차이를17.4 A에서 10.5 A로 감소시켜 약 39.66%의 개선 효과를 나타내었다. 이러한 결과는 제안한 멀티칩 파워 모듈 구조가 동적 전류 불균형을 효과적으로 완화하며, 모듈의 전기적 신뢰성과 동작 안정성 향상에 기여할 수 있음을 입증한다.

This paper presents a method to reduce and equalize parasitic inductance in multi-chip SiC power modules. As electric vehicle (EV) power demand grows, modules integrating multiple SiC devices are widely adopted to achieve high power density within limited space. However, parasitic inductance variations among parallel-connected chips cause current imbalance, voltage overshoot, and localized heating, reducing efficiency and reliability. To address this, a new power module structure is proposed. The design applies double-sided cooling (DSC) for enhanced thermal management and introduces a multi-power-loop interleaved architecture to lower loop inductance via magnetic field cancellation. In addition, cavity structures are incorporated to equalize current paths and minimize inductance mismatch among devices. Simulation and experimental results confirm the effectiveness of the proposed design. The maximum current deviation is reduced from 17.4 A to 10.5 A, representing a 39.66% improvement over conventional interleaved modules. These results demonstrate that the proposed structure effectively suppresses dynamic current imbalance while improving both electrical reliability and operational stability in SiC-based power systems.