igbt并联设计参考

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1、摘要：本文主要分析如何实现并联IGBT静态和动态过程的均流，并提出了一些用于减少电流不平衡的相关并联方法，以便于客户并联设计。重点突出一些易实现并联方案的IGBT模块新封装，又提出一些实现并联均流的均衡措施。用相关的试验证实一些分析结论。关键词：IGBT并联、静态与动态电流、均衡措施1引言随着市场对兆瓦级大功率变流器的需求与日俱增，IGBT并联方案目前已成为一种趋势。这主要源于IGBT并联能够提供更高电流密度、均匀热分布、灵活布局以及较高性价比（这取决于器件及类型）等优势。图1所示为经常会采用的两种I

2、GBT并联方式，即模块之间和臂之间。通过将小功率IGBT模块（包括分立式IGBT）、大功率IGBT模块进行并联组合，可获得不同额定电流的等效模块，且实现并联的连接方式也很灵活、多样。以高压变频器中广泛采用的H桥拓扑结构功率单元为例，其并联实现可以用不同电路结构的IGBT模块，如半桥“FF”、单个“FZ”、四单元“F4”和六单元“FS”。这将使客户有很大自由度选择性价比高的并联解决方案。另外，并联可降低模块热集中，使其获得更加均匀的温度梯度分布，较低的平均散热器温度，这有益于提高热循环周次。因此，IGB

3、T并联是大功率设计应用的最佳解决方案之一。                              “FZ”→”FZ”                       “FS”→ “FF”                       “FF”+”FF”→“FF”                              “FZ”+”FZ”→”FZ”图1臂或模块并联然而，并联IGBT之间静态与动态性能的差异会影响均流，使得有效目标输出电流不得不被降额。通常，降额系数是根据最差的并联情况进行假定，但这种假设

4、在实际应用中并不合理，且被过高估计，这也会增加客户设计成本。从统计角度方面，差异性很大的模块并联概率是很小的，且IGBT参数之间偏离可以忽略。从均流角度方面，并联设计好坏对降额起关键性的作用，且远大于IGBT自身参数差异性所引起的问题。因此，并联应重点考虑如何通过设计确保均流，而不是把重心放在模块参数偏离所造成的影响。表1为说明哪些因素会引起均流的差异。并联设计将集中在这些因素上面以优化驱动回路、功率换流回路、模块布局以及冷却条件等,其目的是确保每个并联支路尽可能实现对称。本文将提供一些并联设计方面的

5、措施和建议，以帮助客户成功完成并联。 2静态性能2.1PTC特性在不同额定电压（600V、1200V、1700V和3300V）条件下，英飞凌NPT和沟槽场终止IGBT芯片的饱和电压VCEsat都随着结温升高而增加，呈现正温度系数特性。图2为300A沟槽场终止芯片在15V栅极电压条件下不同结温时的饱和电压特性。这表明并联IGBT的静态均流可动态地自我调节平衡。如果较高电流通过一个并联支路或不均匀冷却导致运行结温偏高，其VCEsat就会相应升高，并将电流转移至其它饱和电压较低的支路，以实现自我保护。因此，

6、PTC特性有利于实现IGBT并联的均流。 图2Tvj为25℃和125℃时的VCEsat2.2饱和电压VCEsat分布图3为在相同的栅极电压和结温条件下不同饱和电压的IGBT输出特性曲线，其可以用一次函数来描述，其等效斜率电阻会对均流有影响。像图3所示，由于IGBT1的等值电阻较小，对应并联支路电流会较大。不过，英飞凌NPT和沟槽场终止芯片饱和电压在整个分布范围内呈现正态特性，这也源于出色的生产过程和晶圆处理能力。因此，从统计角度，很少会出现最差并联情况。为了尽可能减少这种IGBT自身差异性所带的均流问

7、题，建议并联的IGBT应采用相同芯片技术、模块型号和生产日期。如果可能，最好用同一包装内的IGBT模块进行并联。 图3输出特性2.3功率换流回路电阻Rs图4为直流回路母线和交流输出的不对称性并联连接（如虚线所示）。这种差别会引起并联换流回路不同的等值电阻，像图所示支路2距离直流母线并联连接点或输出点较近，会有较小的等值电阻，进而会流过较大的静态电流。而且，静态电流Ic1与Ic2的这种差异远大于饱和电压分布不同所引起的差异。因此，直流回路以及输出回路母线布局、电解电容和IGBT模块的布局需要经过优化，使

8、每个并联支路尽量对称和一致。有时，尽管并联IGBT的母线为同一根铜排，具有相同的电势，然而与母线连接点的不同也将会导致电流不平衡。 图4非对称并联与不平衡电流3动态性能3.1栅极电阻3.1.1阈值电压VGEth并联IGBT驱动所用分开栅极电阻相比公用连接方式而言，可以改善动态过程均流。这也可以降低由于阈值电压VGEth之间偏差引起的动态不平衡。图5为测试所用的示意图，额外串联的二极管用于有意增加并联IGBT之间的VGEth差异。测试在相同的、对称的并联功