IGBT并聯(lián)均流分析

江宏玲，周 成

（1.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥230088；2.安徽國際商務(wù)職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥231131）

IGBT并聯(lián)均流分析

江宏玲1，周 成2

（1.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥230088；2.安徽國際商務(wù)職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥231131）

電力功率器件IGBT的并聯(lián)應(yīng)用是提高功率變換器電流處理能力的重要手段，IGBT并聯(lián)支路均流與否是直接影響其實(shí)際工程應(yīng)用關(guān)鍵性問題。從IGBT模塊自身特性、驅(qū)動(dòng)電路以及外圍電路三個(gè)方面對均流特性的影響進(jìn)行分析研究，給出了在實(shí)際并聯(lián)應(yīng)用中合理處理各影響因素后的實(shí)驗(yàn)波形，波形結(jié)果表明并聯(lián)支路均流效果良好。

IGBT并聯(lián)均流；飽和壓降；開啟門檻電壓

在實(shí)際功率產(chǎn)品如變流器與逆變器等功率單元中，如何在避免功率器件失效的同時(shí)滿足電流容量的要求并且有效降低生產(chǎn)成本，是電力功率器件應(yīng)用的首要問題。一般對于功率等級較大的應(yīng)用場合，單個(gè)功率器件的電壓與電流處理能力無法滿足實(shí)際要求的性能指標(biāo)，此時(shí)使用多個(gè)器件的串并聯(lián)使用能有效解決該問題。將功率模塊串并聯(lián)使用時(shí)為了提高功率單管額定電流的降額利用率，確保在器件的各種工作狀態(tài)切換下都能夠使每個(gè)功率器件平均承擔(dān)全部電流而且還要使散熱均勻分布從而使各功率管的使用壽命得到保障，因此首要的問題是如何確保功率器件并聯(lián)支路的均流性[1-4]。功率器件Insulated Gate Bipolar Tran sistor（IGBT）雖然具有一定的動(dòng)靜態(tài)自均流能力適合并聯(lián)使用，但是影響其并聯(lián)均流效果的因素也有很多，主要有IGBT模塊自身特性、門極驅(qū)動(dòng)電路以及外圍電路三個(gè)方面。本文從這三個(gè)方面對并聯(lián)支路均流效果的影響進(jìn)行研究分析，給出合理處理這些因素后的實(shí)際并聯(lián)應(yīng)用的均流實(shí)驗(yàn)波形。

1 IGBT自身特性對均流的影響

通常功率器件的應(yīng)用選擇是根據(jù)功率等級選擇相應(yīng)等級的額定電壓及電流的功率模塊，而不會(huì)采用若干的額定電壓及電流較小的IGBT模塊并聯(lián)的方案來解決電流容量不足的問題，但是在實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)中，從產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)成本和產(chǎn)品的市場角度來考慮，采用小電流IGBT模塊并聯(lián)使用是實(shí)際功率變換器設(shè)計(jì)的有效解決方法之一[5-6]。IGBT并聯(lián)必然會(huì)出現(xiàn)的關(guān)鍵問題是由于并聯(lián)器件的差異性等因素所引起的各功率器件承擔(dān)電流的差異性即器件的均流問題。在使用IGBT并聯(lián)時(shí)，各并聯(lián)IGBT單管本身特性無法做到完全一致，IGBT的自然飽和壓降特性的差異會(huì)在IGBT的開通狀態(tài)下造成各單管IGBT所承受電流的不均衡。圖1所示為兩并聯(lián)IGBT均流以及T1和T2兩管的輸出特性，在并聯(lián)使用下有：

圖1 兩并聯(lián)IGBT均流及各單管輸出特性

圖1以兩并聯(lián)IGBT為例，T1和T2單管的本身特性不可能完全一致，由圖1所示可以看出r2＞r1在假設(shè)V1＝V2條件下有IC1＝IC2×（r2/r1），容易得到VCE(sat)較低的T1管在并聯(lián)應(yīng)用時(shí)承受了更大電流。此外，IGBT的自然飽和壓降VCE(sat)具有正溫度特性即會(huì)隨著溫度增加而增大所以IGBT對均流有一定的自我調(diào)節(jié)能力[7-8]。圖2所示為FF600R06ME3的自然飽和壓降VCE(sat)在不同結(jié)溫下的輸出特性。

圖2 FF600R06ME3在不同結(jié)溫下的VCE(sat)

由于IGBT的自然飽和壓降VCE(sat)具有正溫度特性，所以，當(dāng)T1與T2并聯(lián)使用時(shí)有：開始時(shí)由于T1管的VCE(sat)較小所以T1管承擔(dān)電流大于T2管承擔(dān)的電流，因此將導(dǎo)致T1的穩(wěn)態(tài)損耗大于T2管的穩(wěn)態(tài)損耗，結(jié)果將導(dǎo)致T1管的結(jié)溫上升速度大于T2，從而使T1的VCE(sat)增大逼近T2管的起到一定自動(dòng)調(diào)節(jié)均流的效果。因此，IGBT本身特性即自然飽和壓降的差異性及其正溫度特性直接影響IGBT并聯(lián)使用的均流效果，為了在并聯(lián)IGBT應(yīng)用時(shí)盡量減小各單管的VCE(sat)的差異從而取得較好的均流效果，應(yīng)盡量優(yōu)先選擇同一型號和同一批次IGBT模塊來設(shè)計(jì)功率單元。

2 驅(qū)動(dòng)電路對均流的影響

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對于功率IGBT來說至關(guān)重要，一般IGBT的導(dǎo)通電壓即門檻電壓VCE(sat)都有一定差異。對于并聯(lián)應(yīng)用中的IGBT器件來說門檻電壓VCE(sat)較低的先導(dǎo)通并且由于米勒平臺(tái)的箝位效應(yīng)使導(dǎo)通電壓被箝位而門檻電壓VCE(sat)較高的IGBT滯后導(dǎo)通，圖1中的T1先與T2導(dǎo)通，先導(dǎo)通的T1承受所有電流造成并聯(lián)IGBT的不均流。

圖3所示為對并聯(lián)應(yīng)用時(shí)驅(qū)動(dòng)電路采用的方法，可較好解決驅(qū)動(dòng)電路造成的并聯(lián)應(yīng)用不均流現(xiàn)象。通常采用門極電阻隔離并把柵極電阻分成Rg和Re，這樣設(shè)計(jì)后可以分別通過Rg1和Rg2給T1和T2的門極電壓進(jìn)行獨(dú)立充電，從而使各自達(dá)到門檻電壓的時(shí)間基本一致。另外如圖3中所示，當(dāng)T1先于T2開通時(shí)會(huì)在回路雜散電感上產(chǎn)生壓差從而產(chǎn)生一個(gè)環(huán)路電流I，此電流I在Re1和Re2上產(chǎn)生電壓VRe1和VRe2.VRe1減小了T1的門級電壓從而減緩T1的開通速度而VRe2則增加了T2的門級電壓加快了T2開通速度，實(shí)際上Re實(shí)現(xiàn)了負(fù)反饋的開通過程從而使得并聯(lián)應(yīng)用的開通過程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流。另外，驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗和IGBT門級連線阻抗的差異也會(huì)對器件的開通與關(guān)斷產(chǎn)生影響從而導(dǎo)致并聯(lián)應(yīng)用不均流現(xiàn)象。因此，在并聯(lián)應(yīng)用時(shí)各模塊一般使用同一驅(qū)動(dòng)級，并且為了減小驅(qū)動(dòng)電感耦合的引入要避免柵極連線與主電路電流平行，同時(shí)要做好各并聯(lián)模塊的有效一致散熱。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路對并聯(lián)均流的影響

3 外圍主電路連接對均流的影響

在IGBT的并聯(lián)應(yīng)用中，外圍主電路的連接設(shè)計(jì)對并聯(lián)均流的影響主要表現(xiàn)在，直流母線的連接差異和負(fù)載連接差異。圖4所示為并聯(lián)應(yīng)用時(shí)外圍主電路連接對均流的影響，一般功率單元的直流母線連接通常采用層疊母線結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量做到對稱設(shè)計(jì)以減小對均流的影響。主電路負(fù)載側(cè)連接接頭位置如果處理不當(dāng)也會(huì)造成負(fù)載連接不對稱，將導(dǎo)致負(fù)載電路電感不對稱使動(dòng)態(tài)電流尖峰產(chǎn)生較大差異。圖4（a）為直流母排不對稱連接，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免并改成圖4（b）所示對稱連接。圖4（c）為負(fù)載不對稱連接，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免并改成圖4（d）所示負(fù)載對稱連接以減小并聯(lián)IGBT配線電阻和電感不均導(dǎo)致支路電流不均流和VCE的關(guān)斷電壓尖峰。

圖4 并聯(lián)IGBT外圍電路連接示意圖

圖5 中所示為IGBT兩并聯(lián)應(yīng)用時(shí)對上文中所述的影響并聯(lián)IGBT均流效果的因素進(jìn)行了較好處理的實(shí)驗(yàn)波形，波形結(jié)果表明并聯(lián)支路的均流效果良好。

圖5 IGBT兩并聯(lián)電流均流波形

4 結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用中影響IGBT并聯(lián)支路均流的因素除了上述所述的3個(gè)主要因素之外還有很多。為了取得良好的均流效果從而提高產(chǎn)品性能和使用壽命，在IGBT并聯(lián)應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意：（1）優(yōu)先選用同型號同批次的IGBT模塊；（2）合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路并且注意布局布線的對稱性；（3）選用疊層母排并務(wù)必確保對稱性連接，同時(shí)注意電容布局和盡量減少回路雜感。

[1]祁善軍，翁星方，宋文娟，等.大功率IGBT模塊并聯(lián)均流特性研究[J].大功率變流技術(shù)，2011，21（6）：10-14.

[2]王寶歸，周 飛，童亦斌.基于IGBT并聯(lián)技術(shù)的250 kW光伏并網(wǎng)逆變器[J].大功率變流技術(shù)，2009，19（4）：26-31.

[3]張 成，孫 馳，馬偉明，等.基于電路拓?fù)涞腎GBT并聯(lián)均流方法[J].大功率變流技術(shù)，2013，39（2）：505-512.

[4]王雪松，趙爭鳴，袁立強(qiáng)，等.應(yīng)用于大容量變換器的IGBT并聯(lián)技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（10）：156-162.

[5]肖雅偉，唐云宇，劉秦維，等.并聯(lián)IGBT模塊靜動(dòng)態(tài)均流方法研究[J].電源學(xué)報(bào)，2015，13（2）：64-70.

[6]楊笑宇，劉偉增，馬超群，等.交流銅排結(jié)構(gòu)對功率模塊并聯(lián)均流的影響[J].電力電子技術(shù)，2013，47（5）：100-103.

[7]朱維龍，嚴(yán)泳興，黃金池，等.一種自均流多模組大功率電源并聯(lián)技術(shù)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2013，52（5）：638-642.

[8]凌 晨，胡 安，唐 勇.IGBT并聯(lián)動(dòng)態(tài)不均流溫度特性研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45（11）：121-123.

IGBT Parallel Current Sharing Analysis

JIANG Hong-ling1，ZHOU Cheng2
（1．Anhui Water Resource Research Institute，Hefei Anhui 230088，China；2．Anhui Institute of International Business，Hefei Anhui 231131，China）

The parallel application of power device IGBT is an important means to improve the current handling capability of the power converter，the current sharing of the IGBT shunt is not only the key problem of its practical application.In this paper，the characteristics of the IGBT module，the driving circuit and the peripheral circuit of the three aspects of the impact of the current sharing characteristics of the analysis，presents the experimental waveforms after the reasonable treatment of various influencing factors in the parallel application，the waveforms show current sharing effect is good.

IGBT parallel current sharing；VCE（sat）；VGE（th）

TK63

A

1672-545X（2017）10-0102-03

2017-07-17

安徽省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2017A861）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51576047）

江宏玲（1987-），女，安徽合肥人，碩士，工程師，主要研究方向：電力電子技術(shù)；周 成（1983-），男，安徽合肥人，碩士，助教，主要研究方向：電力電子技術(shù)。