模块并联分析.pdf

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1、嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.2012—01—10模块并联分析编写：陈浩审阅：NormanDay前言IGBT模块作为现行半导体行业中最主要的开关器件之一，广泛应用于变频器、电焊机、UPS、感应加热、电镀电源及风能太阳能等领域。因此IGBT模块的电流应用等级范围很广，从几安培到几千安培甚至几万安培都有。但是由于IGBT模块受封装工艺的限制，一般市场上使用400A及其以下的封装较为常见，400A以上的封装市场上用量比较少，所以价格相对比较昂贵。以要求1200A1200V半桥结构为例，如果采用3个400A1200V半桥模块并联的方式相对于采用使用单一半桥模

2、块的成本只是其1/2至2/3左右，故在这个成本竞争的时代，并联模块的应用成为一个重要的课题。但模块并联并不是一个简单的过程，有很多因素影响着模块是否能够并联及并联后的特性，在此主要针对饱和压降VCE（sat）和开启电压Vth的影响做探讨。模块并联的影响因素主要影响模块并联的因素如下表所示：影响因数静态均流动态均流饱和压降VCE（sat）√开启电压Vth√并联功率回路对称性√门极驱动电压VGE√二极管压降Vf√工作温度√√驱动电阻Rg√驱动回路杂散电感√功率回路杂散电感√驱动对称√………………1ApplicationNoteAN8003V0.0嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICO

3、NDUCTORLTD.表中任何一项的过大失衡都有可能对模块造成致命的损伤。下文主要以我司GD300HFL120C2S模块采用两并方式应用于185kW的变频器上为例，分析在变频器的某一工作状态下，饱和压降VCE（sat）和开启电压Vth对模块均流的影响。因为GD300HFL120C2S模块内部主要是以75A芯片四个并联而成，一般并联用的芯片会经过删选，保证每一个模块内部的四个并联芯片的特性是基本相同的。所以为了简化分析的复杂性，我们假设同一模块内的四个芯片是完全相同的。因此讨论300A模块的并联等同于讨论75A模块的并联。静态均流：饱和压降VCE（sat）的影响相同型号的各个模块在处于同一测试条

4、件下，模块之间也具有不同的VCE（sat）值。在不考虑实际应用中其他因素的差异对模块输出特性曲线的影响进行分析如下：图一如图一所示为GD75HFL120C1S同一批次的两只不同模块的实测输出特性曲线。下面我们假设分别各有四片与这两只模块特性相同的芯片封装成的GD300HFL120C2S模块使用于185kW的变频器上的一侧，那么根据变频器相关标注的满载电流为340A，经换算每个75A芯片承受的峰值电流平均值约为60A。将图一简单处理后如图二。2ApplicationNoteAN8003V0.0嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.图二从图二中可以看出，当电流达

5、到一定值后，我们可以把两个模块的输出特性曲线看成两条同一点出发，斜率不同的直线。分别假设两条直线为1和2，那么根据公式Vce=Vce0+rce×IC（1）Vce表示Vce（sat）的值；Vce0表示直线与IC=0时的交点；rce表示直线的斜率。可得：V=V+r×I（2）ce1ce01ce1C1V=V+r×I（3）ce2ce02ce2C2结合图二和并联信息：V=V（4）ce01ce02I+I=120A（5）C1C2可得：rce2I=I（6）C1C2rce1IC1+IC2=120A（7）根据图二，简单换算两条直线的斜率后，其最终结果大致约为：I=65A,I=55AC1C2在图二中标识后如图三所示。

6、3ApplicationNoteAN8003V0.0嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.ΔI图三如图三所示为185kW的变频器在满载工作时的75A芯片电流分布，变频器的满载峰值电流为两个模块的电流之和。ΔI表示在满载状态下，两个模块内部75A芯片之间的之间的电流差值，所以在满载状态下两个模块内部75A芯片的ΔI值在10A左右。其电流不平衡率为：I−I65−55C1C2α===8.3%I+I65+55C1C2对于图三进行简单处理图四。ΔI图四如图四所示，当电流大于一定值时，两只模块的输出特性曲线大致可描述为两条同一点出发不同斜率的直线，结合算式（6）可以判定

7、电流不平衡率是定值。但是随着电流IC的增大，ΔI的值也会增大，凸显两只并联模块之间过电流大小的差异。4ApplicationNoteAN8003V0.0嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.根据客户端对变频器等过载的要求，操作系统在段时间内必须在某一过载时间下承受特定的过载率，变过载率和时间的关系如图五所示。图五如图五所示为客户端一般测试时过载率和过载时间的简单