这篇名为《Multilayer Busbar Design for a Si IGBT and SiC MOSFET Hybrid Switch Based 100 kW Three-Level T-Type PEBB》的论文详细探讨了基于SILICON IGBT（硅绝缘栅双极型晶体管）和SIC MOSFET（碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管）的混合开关应用于100千瓦功率、三电平T型单相PEBB（Power Electronics Building Block，电力电子模块）中的多层母线设计。本文由Amol Deshpande（俄亥俄州立大学电气与计算工程系）和Fang Luo（阿肯色大学电气工程系）等作者撰写，发表在IEEE相关期刊上。以下将从研究背景、研究方法与流程、研究结果、结论与意义以及亮点等部分进行综合报告。
电力电子模块（PEBB）是一种集成电力器件、门极驱动器和直流链电容及其他组件的电子单元，广泛应用于模块化变流器的实现。与传统电力设计相比，PEBB能够大幅减少工程开发成本、测试成本和系统重量并提升可靠性，特别适用于对高比功率密度和模块化设计有严格要求的混合电动/涡轮电动飞机推进系统等领域。
目前在低压驱动系统中，三电平T型（3LT2）拓扑因其高效率、低直流链电容、低输出谐波以及较高的可靠性表现出明显优势。基于碳化硅（SiC）技术的3LT2拓扑还可进一步提升功率密度，但由于SiC器件的高开关速度会导致显著的过冲电压和共模导电电磁干扰（EMI），这对器件的电压压力及可控性带来了挑战。本文针对这些问题，设计并验证了一种具有超低寄生电感的多层母线结构，以解决当前3LT2拓扑在功率模块方面的不足，并提供新颖解决方案。
本文的整体研究流程大致可分为四个部分：1）3LT2 PEBB的设计；2）多层母线的设计；3）有限元仿真与实验验证；4）实验结果的分析与讨论。
研究首先构造了一种以混合开关为核心的3LT2 PEBB，并定义了关键技术指标（详见Table I），如额定输出功率为100 kW，直流链电压为1.2 kV等。在器件的选择上，作者采用了硅IGBT与SiC MOSFET并联实现的混合开关，原因是其表现出优越的导通性能和整体开关性能，且成本远低于全SiC解决方案。外部开关（如q1/q4和m1/m4）通过两个1.7 kV的半桥模块实现，而内部的钳位开关（q2/m2和q3/m3）则基于1.2 kV的PCB离散式模块，以减轻重量并维持灵活性。
为实现对各器件的对称压力分布，研究着重优化了母线的布局及电感性能。母线设计分为垂直段与水平段，各由三层导电铝条构成（dc+、dc-、中性点）。每条母线通过特殊层压结构，并使用厚度为2 mil的Kapton薄膜作为绝缘材料。
母线设计中的一大亮点是采用了数学模型（Eq.1和Eq.2）对铝条的厚度和截面积进行计算，以确保其能承受大电流且保持低寄生电感。此外，图3展示了母线的三维架构，整体结构实现了对电流路径（CCL1和CCL2）的物理对称性，从而确保了对称的电感分布。为进一步降低等效寄生电感，设计者综合利用了母线条之间的相互耦合效应，通过合理的布局设计显著降低了总电感。
研究使用3D有限元分析（FEA）对母线系统的寄生电感进行了仿真分析，仿真频率设定为15 MHz以适应SiC器件的高开关速度。实验部分采用双脉冲测试方法，以验证实际开关装置在不同切换模式（如q1/m1与q3/m3同时切换）的电气性能。最终实验数据表明，尽管实验样机的寄生电感略高于理论预测值（约50 nH对34.99 nH），但其误差主要来源于样机设计中的绝缘切割工艺限制和层压结构的局限性。研究者指出，工业标准生产的最终版本将进一步优化。
通过仿真与实验结果，作者验证了所设计母线在CCL1和CCL2模式中的对称性和超低电感性能。其中，包含寄生电感的总电感值分别为34.99 nH和35.5 nH，显著优于文献中的多项其他设计（详见Table III）。此外，实验中的150 V开关过冲电压测试也证明了所设计的母线能够有效减少电抗从而降低电压应力。
通过与现有两电平PEBB和其他三电平设计进行对比，本文所提出的三电平T型母线设计在功率密度、对称性和寄生电感控制方面均表现出明显优势。
本文论文提出了一种新颖的用于三电平T型PEBB的多层母线设计，该方案不仅解决了标准三电平模块难以实现的难题，还显著优化了系统的开关性能和可靠性。这一设计思路在中功率驱动系统中的应用潜力巨大，特别是在需要高开关频率的场景下。
更重要的是，通过实现对等效寄生电感的高度控制，本文为未来基于SiC器件的高功率密度逆变器设计提出了有效方法。这一母线设计的方法可作为其他拓扑设计的参考范例，并进一步探讨更高效的功率器件封装技术。
本文的主要创新点在于： 1. 在无现成基于SiC器件三电平模块的情况下，通过合理优化混合开关和多层母线结构实现对称的低寄生电感。 2. 提出了基于PCB的轻量化内钳位开关设计与分布式直流链电容架构，为提高系统整体灵活性和降低重量提供了解决方案。 3. 验证了所设计母线在开关频率、更大功率模块上的潜在应用。
对于未来工作，研究者计划进一步研究基于宽禁带器件（WBG）的3LT2模块封装技术，以使母线设计更加简单并进一步优化电感性能。
总体而言，本文的母线设计为三电平逆变器的工业应用提供了实质性的技术支持，其设计思路及技术细节对于电力电子研究领域具有重要借鉴价值。