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时间:2018-11-10
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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
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