IGBT并聯(lián)應(yīng)用的均流探討

劉 偉

（華東電子工程研究所，安徽 合肥 230088）

1 IGBT簡(jiǎn)介

IGBT屬于半導(dǎo)體器件，全稱為絕緣柵雙極型晶體管，是由電壓功率驅(qū)動(dòng)的重要器件，其構(gòu)成的成分為MOS與BJT，因此其既具備低導(dǎo)通壓降，即較大的驅(qū)動(dòng)電流以及載流密度，飽和壓降低，又具備高輸入抗阻的特性，載流密度低，導(dǎo)通壓降大，較快的開關(guān)速度，較小的驅(qū)動(dòng)功率。因具備如上兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，IGBT可以在牽引傳動(dòng)、開關(guān)電源、交流電機(jī)、照明電路、變頻器等變流系統(tǒng)以及600 V的直流電壓中被廣泛應(yīng)用。

2 IGBT并聯(lián)應(yīng)用對(duì)均流的影響因素分析

2.1 IGBT自身特性

當(dāng)電流容量不足時(shí)，不考慮經(jīng)濟(jì)因素的解決方案通常是選擇其自身的額定的電流與電壓適合于功率等級(jí)的器件。從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，IGBT具有較小的額定電流與電壓，因此將其進(jìn)行并聯(lián)同樣可以達(dá)到所需要的功率的等級(jí)，且IGBT的價(jià)格相對(duì)較低，所需要的經(jīng)濟(jì)支出較少。因此，在實(shí)際的操作中，IGBT成為了良好的選擇。但是使用IGBT還存在一個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題，即均流的問(wèn)題。使用IGBT進(jìn)行并聯(lián)時(shí)，其自身的差異會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)在一起的期間所承受的電流不同，且每個(gè)IGBT器件即使為同一廠家同一批次所生產(chǎn)，但是其仍然存在著些許的不同，因此其自然飽和壓降也會(huì)有所不同，導(dǎo)致在工作情況下會(huì)出現(xiàn)不同的IGBT所流通的電流不同。圖1中，兩個(gè)IGBT并聯(lián)在一起，在其工作時(shí)，兩個(gè)IGBT所承受的電流不相同[1]。

可以得出：

因?yàn)門1與T2兩個(gè)IGBT單管的自身特性存在差別，且由圖1可以得出r2＞r1，如果假設(shè)V1=V2，即可以得出Ic1=Ic2×(r2/r1)，因此T1管在與T2管并聯(lián)時(shí)，因其壓降較低，通過(guò)其的電流量更大。但是IGBT的特性會(huì)隨著溫度的提升而改變，即溫度越高，其壓降也會(huì)越高，因T1通過(guò)電流的較大，所以其溫度也會(huì)升高，在溫度升高的同時(shí)，其壓降便進(jìn)行上升，通過(guò)其的電流便會(huì)減少，因此其具備自我調(diào)節(jié)的能力。圖2為FF600R06ME3隨著溫度的變化，其自然飽和壓降的變化。

圖1 兩個(gè)IGBT并聯(lián)均流與單管輸出特性

圖2 FF600R06ME3溫度的變化自然飽和壓降變化

由圖2可知，IGBT的自然飽和壓降會(huì)受到溫度的正向作用，因此當(dāng)T1流通的電流大于T2時(shí)，T1的溫度便會(huì)比T2高，T1的自然飽和壓降便會(huì)趨向于T2，最終實(shí)現(xiàn)其二者的自然飽和壓相同，實(shí)現(xiàn)了流通的電流相同，即均流。但是仍需要重視IGBT的選擇，因?yàn)榇嬖谳^大差異的IGBT實(shí)現(xiàn)均流的難度與時(shí)間也更大。因此，需要盡量選擇在同一廠家生產(chǎn)的同一批次的IGBT器件，從而實(shí)現(xiàn)最大化地減少其因自身差異所引起的電流不均衡的問(wèn)題，也可以減少其進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的時(shí)間，對(duì)于各器件的使用壽命有極大的好處[2]。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

在并聯(lián)使用IGBT時(shí)，還需要考慮其驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)樵诓⒙?lián)的IGBT中，自然飽和電壓較低的IGBT會(huì)先被導(dǎo)通，即其會(huì)先流通電流，以圖1為例，T1會(huì)先被導(dǎo)通，之后電流再流過(guò)T2，所以在一開始，T1所承受的電流與T2不同，即出現(xiàn)了不均流的情況，出現(xiàn)此問(wèn)題可以以米勒平臺(tái)的箝位效應(yīng)進(jìn)行解釋?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路解決此問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)IGBT并聯(lián)時(shí)均流，如圖3所示。

由圖3可知，通過(guò)將柵極電阻分成Re與Rg，并且使用門級(jí)電阻隔離，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)T1與T2進(jìn)行單獨(dú)供電，其中Rg1為T1供電，Rg2為T2供電。通過(guò)獨(dú)立供電便可以解決電流先流向T1的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)T1與T2同時(shí)流通電流。而Re存在的意義可以體現(xiàn)在，當(dāng)T1先流通電流時(shí)，回路雜散電感會(huì)出現(xiàn)環(huán)形電流I，I可以在Re1與Re2中作用出電壓，即Re1的電壓為VRe1，Re2的電壓為VRe2，其中T1的電壓可以被VRe1減小，因此T1被流動(dòng)電流的速度就會(huì)降低，但T2的電壓可以被VRe2增加，因此T2被流通電流的速度會(huì)提升。Re通過(guò)循環(huán)電流I的流通，對(duì)T1與T2的電流進(jìn)行了控制，幫助其實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)均流。

圖3 IGBT并聯(lián)均流被驅(qū)動(dòng)電路影響

2.3 外圍主電路

IGBT并聯(lián)使用時(shí)，其均流還會(huì)受到外圍主電路的影響，主要體現(xiàn)于直流母線的負(fù)載差異與連接差異，如圖4所示。

通常，采用層疊母線的方法組織直流母線的結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)需要涉及直流母線的結(jié)構(gòu)盡量保持其對(duì)稱，圖4中的（a）所示為其不對(duì)稱的情況，為了避免出現(xiàn)不均流的情況，需要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整成如圖4中（b）所示。再者主電路側(cè)連接接頭也需要對(duì)稱處理，否則會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)電流尖峰不同，當(dāng)其不對(duì)稱時(shí)便如圖4中的（c）所示一般，應(yīng)當(dāng)將其調(diào)整為圖4中（d）所示的連接方式，從而有效地降低電感與電阻不均而出現(xiàn)的電壓尖峰差異。

3 結(jié) 論

通過(guò)分析可知，IGBT并聯(lián)時(shí)可以對(duì)均流產(chǎn)生影響的因素為其自身的特性、驅(qū)動(dòng)電路與外圍主電路，如表1所示。

通過(guò)表1可知，對(duì)于動(dòng)態(tài)電流不均衡在關(guān)閉時(shí)主要對(duì)其會(huì)造成較大的影響為IGBT自身特性的結(jié)溫、驅(qū)動(dòng)電流的輸出阻抗、驅(qū)動(dòng)電流的柵極連線、外圍主電流的主流母線側(cè)，IGBT的飽和壓降與外圍主電路的負(fù)載側(cè)對(duì)均流無(wú)影響；在開通時(shí)主要對(duì)其會(huì)造成較大的影響為IGBT自身特性的結(jié)溫、輸出阻抗、柵極連線，主流母線側(cè)對(duì)均流的影響較小，IGBT飽和電壓與外圍電路的負(fù)載側(cè)對(duì)其無(wú)影響。對(duì)于穩(wěn)態(tài)電流不均衡在負(fù)載電流變化較快時(shí)，只有外圍主電路的負(fù)載側(cè)對(duì)均流有大的影響，自身特性的結(jié)溫與飽和壓降、驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗與柵極連線、外圍主電路的主流母線側(cè)均對(duì)均流無(wú)影響；當(dāng)負(fù)載電流變化較慢時(shí)，IGBT自身特性的結(jié)溫與飽和壓降對(duì)均流的影響大，驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗與柵極連線、外圍主電路的主流母線側(cè)與負(fù)載側(cè)對(duì)均流無(wú)影響。

圖4 IGBT并聯(lián)均流被外圍主電路影響

表1 IGBT并聯(lián)應(yīng)用電流不均衡