IGBT并聯(lián)應(yīng)用的均流分析

江宏玲，周成

（1.安徽省淮委水利科學(xué)研究院，安徽合肥230088；2.安徽國際商務(wù)職業(yè)學(xué)院，安徽合肥231131）

裝備應(yīng)用技術(shù)

IGBT并聯(lián)應(yīng)用的均流分析

江宏玲1，周成2

（1.安徽省淮委水利科學(xué)研究院，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，而如何處理在并聯(lián)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的不均流問題成為能否實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)鍵問題。在靜態(tài)和動態(tài)兩種工況下，分析了IGBT并聯(lián)應(yīng)用時(shí)影響其并聯(lián)使用的主要因素及要注意的事項(xiàng)。給出了考慮這些因素影響后的實(shí)際并聯(lián)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)波形，波形結(jié)果表明并聯(lián)功率IGBT器件的均流效果良好。

電力半導(dǎo)體并聯(lián)；靜態(tài)分析；動態(tài)分析

如何高效利用電力功率器件的電壓和電流容量即降低降額使用并且避免器件失效是電力功率器件應(yīng)用的最基本的出發(fā)點(diǎn)。當(dāng)單個(gè)電力功率器件的電壓和電流額定值不能滿足應(yīng)用要求時(shí)，一般會采取兩個(gè)或者多個(gè)器件的串并聯(lián)使用來提高其工作電壓和電流。電力功率器件的串并聯(lián)使用要解決的核心問題是，當(dāng)串聯(lián)使用時(shí)器件在通態(tài)、阻態(tài)、開通、關(guān)斷等各個(gè)狀態(tài)下是否都能夠平均地承擔(dān)全部的外加電壓而不存在部分器件過電壓的情況；而當(dāng)并聯(lián)使用時(shí)則是在各種狀態(tài)下是否都能夠平均承擔(dān)全部電流而不存在部分器件過電流的情況[1-2]。功率器件金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，即溫度升高時(shí)其通態(tài)電阻增加，在并聯(lián)使用時(shí)這種溫度特性有助于靜態(tài)電流的自動均衡，因而易于并聯(lián)使用，而雙極結(jié)式晶體管正好相反不易于并聯(lián)使用。IGBT同時(shí)具有金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管和雙極結(jié)式晶體管的特性，在較小電流時(shí)其等效通態(tài)電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)而電流較大時(shí)其電阻溫度系數(shù)為正值，因此IGBT也具有一定的靜態(tài)自均流能力適合并聯(lián)使用。本文分析了IGBT并聯(lián)應(yīng)用時(shí)影響其并聯(lián)使用的主要因素及需要注意的事項(xiàng)，對實(shí)際工程中IGBT的并聯(lián)使用有一定的指導(dǎo)作用。

1 IGBT并聯(lián)應(yīng)用時(shí)影響均流的因素

一般情況下，功率器件的生產(chǎn)商并不推薦使用若干個(gè)小電流的功率模塊并聯(lián)來代替大的功率模塊，而是推薦直接使用一個(gè)大的功率模塊，因?yàn)檫@樣可以不考慮器件的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)電流不均流問題。當(dāng)然從實(shí)際應(yīng)用特別是產(chǎn)品開發(fā)的成本角度出發(fā)，采用小電流功率模塊并聯(lián)使用來代替大功率模塊是實(shí)際變換器設(shè)計(jì)的一種選擇[3-4]。IGBT作為大電流大電壓的大功率器件，在并聯(lián)使用時(shí)均流問題的解決是產(chǎn)品開發(fā)過程中必須解決的核心問題之一。

假設(shè)有N只額定電流為IC0的IGBT并聯(lián)后的總額定電流為NIC，即IC為并聯(lián)后每只IGBT流經(jīng)的平均電流。理論上來看并聯(lián)使用時(shí)各個(gè)IGBT單管中流經(jīng)的電流相同但實(shí)際上受器件本身特性、驅(qū)動電路、器件結(jié)溫和器件所在主電路等因素差異的影響，使得各單管中流經(jīng)的電流并不相等即電流不均衡。在功率器件并聯(lián)應(yīng)用技術(shù)中的核心問題就是如何降低電流的不均衡，也就是如何降低并聯(lián)時(shí)功率器件的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)電流的不均衡。表1給出了IGBT并聯(lián)應(yīng)用時(shí)影響各單管穩(wěn)態(tài)和動態(tài)電流的因素。由表1可知并聯(lián)器件的穩(wěn)、動態(tài)電流不均衡分析存在較大的差別。

表1 GBT并聯(lián)應(yīng)用時(shí)影響電流不均衡的因素

2 并聯(lián)IGBT的穩(wěn)態(tài)電流不均衡

從表1可知，當(dāng)并聯(lián)IGBT處于穩(wěn)態(tài)時(shí)（穩(wěn)定導(dǎo)通）在負(fù)載電流的di/dt變化大時(shí)負(fù)載側(cè)的連接差異對電流均衡影響大而實(shí)際應(yīng)用中變換器的負(fù)載一般為感性所以不存在較大的di/dt，這時(shí)的主導(dǎo)影響均流因素是器件的飽和壓降和結(jié)溫的差異。因此，在實(shí)際的功率變換器中并聯(lián)器件應(yīng)選用飽和壓降相同的器件，一般為同一批次生產(chǎn)的功率器件，并且通過散熱等技術(shù)措施確保各個(gè)單管的工作溫度盡可能的一致從而獲得良好的穩(wěn)態(tài)均流效果。

由圖1給出的典型IGBT的飽和壓降和工作結(jié)溫的曲線可知，器件的飽和壓降和其工作結(jié)溫有密切的關(guān)系。隨著工作結(jié)溫和電流的變化其飽和壓降明顯變化，即使是在并聯(lián)使用時(shí)選擇同一型號和批次的IGBT也要采取合理的器件布局和良好的器件的散熱措施，以盡量確保各個(gè)單管的工作結(jié)溫一致從而提高均流效果。由IGBT的特性可知，圖1中所示的飽和壓降在大電流和小電流呈現(xiàn)正負(fù)不同的溫度系數(shù)，不同溫度的飽和壓降的交點(diǎn)右側(cè)為正溫度系數(shù)易于器件自動均流的區(qū)域而交點(diǎn)左側(cè)區(qū)域則相反。

圖1IGBT的飽和壓降和工作結(jié)溫曲線

圖2 所示為兩個(gè)IGBT并聯(lián)時(shí)穩(wěn)態(tài)電流，兩個(gè)器件的壓降相同但是流經(jīng)的電流不同出現(xiàn)電流不均衡情況。

圖2 兩個(gè)IGBT并聯(lián)電流

設(shè)兩個(gè)IGBT電流分別為IC+△IC，IC-△IC，定義電流不均衡度為當(dāng)較大的電流IC+△IC達(dá)到其額定電流IC0時(shí)并聯(lián)IGBT達(dá)到了額定狀態(tài)，則兩只IGBT的電流分別為：

表2 不同電壓等級IGBT并聯(lián)電流不均衡度

3 并聯(lián)IGBT的動態(tài)電流不均衡

由表1可知，在主電路、驅(qū)動電路和器件結(jié)溫的差異對動態(tài)電流均衡影響明顯。主電路中直流母線側(cè)電路的差異。目前功率變換器直流母線普遍采用緊密的層疊母線結(jié)構(gòu)來降低器件的開關(guān)應(yīng)力，而造成母線與并聯(lián)器件的鏈接部分尺寸小設(shè)計(jì)難度較大，只能在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)盡量做到對稱設(shè)計(jì)，減小不對稱所產(chǎn)生的影響。主電路中負(fù)載側(cè)電路的差異對并聯(lián)均流的影響主要表現(xiàn)為負(fù)載側(cè)連接線的接頭位置不合理，而造成的并聯(lián)器件相對于負(fù)載電路的電感不對稱從而易造成動態(tài)電流尖峰相差較大。

驅(qū)動電路的差異對均流的影響，主要表現(xiàn)為驅(qū)動電路輸出阻抗的差異和IGBT門極連線阻抗的差異都會影響到器件的開通、關(guān)斷時(shí)刻和速度。降低驅(qū)動電路差異對并聯(lián)均流的影響可采取的措施有：1）每個(gè)并聯(lián)模塊在驅(qū)動時(shí)使用同一驅(qū)動級；2）盡量避免柵極連線與主電路電流平行以避免柵極驅(qū)動電感耦合引入干擾；3）器件合理布局并采取有效的散熱設(shè)計(jì)使各個(gè)單管的工作溫度盡量一致。

由于在實(shí)際的并聯(lián)應(yīng)用中影響各個(gè)單管的動態(tài)電流均衡的因素?zé)o法嚴(yán)格區(qū)分，往往都是各因素的混合影響其均流效果。圖3所示為在產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮了本文所述的這些因素并加以改善后的實(shí)驗(yàn)波形，從波形結(jié)果可以看出并聯(lián)應(yīng)用的均流效果得到較大的改善。

圖3 雙脈沖測試并聯(lián)IGBT均流效果

4 結(jié)語

本文分析了影響IGBT并聯(lián)均流的因素和改善均流效果的注意事項(xiàng)。在實(shí)際應(yīng)用中很難做到并聯(lián)功率器件的完全均流，所以在設(shè)計(jì)選擇功率器件時(shí)應(yīng)考慮不同數(shù)量器件并聯(lián)應(yīng)用時(shí)的降額使用，并使器件合理布局，以及采用良好的散熱設(shè)計(jì)，確保器件的工作溫度盡量一致，另外應(yīng)盡量做到對稱設(shè)計(jì)并減少其它因素對并聯(lián)應(yīng)用時(shí)器件均流的影響。

[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（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（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].高電壓技術(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.

Current Sharing Analysis of IGBT Parallel Applications

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

The application of parallel IGBT electric power device is an important means to improve the power converter current handling capability，and how to deal with in parallel in the application process of uneven flow problems become key problems in practical engineering application.In the two static and dynamic conditions，the main factors affecting the parallel use of IGBT in parallel application and the matters needing attention are analyzed. The experimental waveforms of practical parallel applications considering these factors are given.The waveform results show that the current sharing of parallel power IGBT devices is good.

power semiconductor shunt；static analysis；dynamic analysis

TN322.8

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0118-03

2017-02-10

安徽省自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究項(xiàng)目（KJ2017A861）

江宏玲（1987-），女，安徽合肥人，工學(xué)碩士，工程師，研究方向：新能源；周成（1983-），男，安徽合肥人，工學(xué)碩士，助教，研究方向：新能源。