基于器件內(nèi)部參數(shù)差異的大功率IGBT并聯(lián)均流控制方法

馮洪高，張赤斌，林寶德

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3.昆明理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是目前中、大、超大電能變換裝置的核心部件，為提高裝置的功率等級(jí)和功率密度，通常需要采用多組IGBT 器件并聯(lián)的方式。在實(shí)際應(yīng)用中，由于各并聯(lián)器件內(nèi)部參數(shù)的分散性，加之外部驅(qū)動(dòng)、母排結(jié)構(gòu)等的綜合影響，并聯(lián)器件間將不可避免地出現(xiàn)不均流問(wèn)題[1-2]。其直接影響是導(dǎo)致部分IGBT 將承受更大的電、熱、機(jī)械應(yīng)力，從而加速器件的老化速率，尤其在某些強(qiáng)電磁沖擊的極端工況下，器件也可能會(huì)因運(yùn)行條件超出其安全邊界而發(fā)生瞬時(shí)失效。為提高電力電子裝置的可靠性，工程技術(shù)人員通常會(huì)采取冗余設(shè)計(jì)的處理方法，但代價(jià)是增加了器件的數(shù)量，導(dǎo)致裝置體積、重量以及設(shè)計(jì)成本的增加，同時(shí)也不利于裝置功率密度的提升[3]。因此，研究影響IGBT 并聯(lián)均流特性的原因并探究不均流問(wèn)題的改善策略具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)IGBT 器件的并聯(lián)均流問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在并聯(lián)均流影響因素和均流改善方法兩方面。相較于靜態(tài)情況，并聯(lián)IGBT 模塊的動(dòng)態(tài)不均流問(wèn)題要更為復(fù)雜，同時(shí)受到IGBT 模塊內(nèi)部參數(shù)、驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)、功率回路雜散電感以及溫度等多因素的影響[4]。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)論，器件內(nèi)部的半導(dǎo)體參數(shù)（包括閾值電壓、柵射極電容、米勒電容等）主要通過(guò)影響IGBT 的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)延遲時(shí)間影響IGBT 的并聯(lián)動(dòng)態(tài)不均流[5-7]。由此，基于門(mén)極控制的主動(dòng)調(diào)節(jié)法成為目前應(yīng)用較多的一種的均流控制方法[8]。文獻(xiàn)[9]提出了一種分散式的主動(dòng)門(mén)極均流控制方法，其優(yōu)勢(shì)在于不受并聯(lián)IGBT 數(shù)量的限制，但由于引入了額外的硬件和軟件，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)難度大，同時(shí)也會(huì)增加設(shè)計(jì)成本。文獻(xiàn)[10]提出了一種門(mén)極信號(hào)延遲控制方法，該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置運(yùn)行期間的不間斷、實(shí)時(shí)調(diào)控，但該方法的準(zhǔn)確性依賴(lài)于對(duì)器件內(nèi)部寄生電感參數(shù)的提取精度。

總體來(lái)看，目前關(guān)于IGBT 并聯(lián)均流的研究主要針對(duì)中、低壓模塊展開(kāi)，同時(shí)關(guān)于模塊內(nèi)部參數(shù)差異所產(chǎn)生的不均流問(wèn)題也尚未得到完全解決。針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文針對(duì)大功率IGBT模塊的動(dòng)態(tài)不均流問(wèn)題展開(kāi)研究，通過(guò)理論分析建立模塊內(nèi)部參數(shù)差異與驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間之間的定量關(guān)系，進(jìn)而采用驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間補(bǔ)償?shù)姆椒刂撇⒙?lián)器件間的動(dòng)態(tài)不均流度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 被測(cè)IGBT模塊及測(cè)試原理

大功率IGBT 模塊內(nèi)部多采用多芯片并聯(lián)的方式以提高器件的通流能力，模塊的制造工藝與封裝方式大體類(lèi)似。以本文所研究的ABB 某型3 300 V/1 500 A 大功率IGBT 模塊為例，其實(shí)物圖及其內(nèi)部等效電路如圖1所示。該模塊內(nèi)部由3組功率子單元并聯(lián)組成，標(biāo)稱(chēng)工況下3 組并聯(lián)端子共同承擔(dān)1 500 A額定電流，即在端口均流的理想條件下，每個(gè)功率子單元的通流能力為500 A。

圖1 IGBT模塊實(shí)物圖和等效電路圖Fig.1 Physical and equivalent circuit diagrams of the IGBT module

本文采用經(jīng)典的雙脈沖測(cè)試研究被測(cè)器件并聯(lián)下的均流特性，測(cè)試原理如圖2所示。其中，VDC為直流母線電壓，LT為母排寄生電感，Lload為負(fù)載電感，IC為回路集總電流，T1與T2為被測(cè)IGBT模塊。為減少功率回路寄生參數(shù)對(duì)并聯(lián)均流的影響，測(cè)試中采用了特制的層疊母排，其結(jié)構(gòu)及工位布置情況如圖3所示。該母排在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為完全對(duì)稱(chēng)，由上、下兩層銅排構(gòu)成，上層銅排又分成獨(dú)立的兩塊，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)2個(gè)IGBT 模塊的并聯(lián)測(cè)試?？紤]到通用性問(wèn)題，母排在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了兩組二極管工位，在本文的后續(xù)實(shí)驗(yàn)中只需使用其中一組，吸收回路的負(fù)載電感通過(guò)外接導(dǎo)線與二極管模塊并聯(lián)。

圖3 層疊母排結(jié)構(gòu)與連接示意圖Fig.3 Structure and connection diagram of cascade bus bar

2 并聯(lián)均流控制方法

在外部運(yùn)行條件和器件內(nèi)部參數(shù)差異程度相同的條件下，IGBT在開(kāi)通瞬態(tài)時(shí)承受的電應(yīng)力相較于關(guān)斷瞬態(tài)要更大，不均流現(xiàn)象也更為明顯。在IGBT 的開(kāi)通延遲階段，柵極驅(qū)動(dòng)電壓VGON通過(guò)驅(qū)動(dòng)回路不斷向柵-射極電容CGE充電，但是柵-射極電壓VGE仍小于閾值電壓VTH，IGBT 尚未開(kāi)通，IGBT工作在截止區(qū)。柵-射極電壓VGE的上升速率主要由柵極驅(qū)動(dòng)電阻RGON、柵-射極電容CGE以及米勒電容CGC決定[4]：

式中：VGON為正向柵極驅(qū)動(dòng)電壓；VGOFF為負(fù)向柵極驅(qū)動(dòng)電壓，VGOFF＜0。

當(dāng)VGE逐漸上升達(dá)到閾值電壓時(shí)，即VGE（t）=VTH時(shí)器件開(kāi)通，對(duì)式（1）進(jìn)行求解可得開(kāi)通延遲時(shí)間Tdon的表達(dá)式：

在開(kāi)通延遲時(shí)間內(nèi)，由于IGBT 的集電極電流仍為0，且集-射極電壓VCE尚未開(kāi)始下降，CGC相比于CGE很小[4]，可以忽略。由式（2）可知，影響Tdon的模塊內(nèi)部參數(shù)主要有CGE和VTH。從概率學(xué)的角度分析，并聯(lián)IGBT 模塊之間閾值電壓存在差異的概率要遠(yuǎn)大于柵-射極電容。在器件的長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，器件的疲勞老化會(huì)導(dǎo)致柵氧化層中的電荷發(fā)生變化，進(jìn)而影響閾值電壓[5]，而柵-射極電容則基本不變。從均流控制角度來(lái)看，研究閾值電壓對(duì)不均流特性的影響顯然更具工程實(shí)用價(jià)值?；诖?，本文重點(diǎn)針對(duì)閾值電壓對(duì)并聯(lián)均流的影響與控制開(kāi)展研究。

當(dāng)并聯(lián)IGBT 模塊之間的閾值電壓存在差異時(shí)，從式（2）可以看出，閾值電壓較小的IGBT 的開(kāi)通延遲時(shí)間更短，柵極注入電流速度更快，開(kāi)通瞬態(tài)動(dòng)態(tài)等效電阻更小，在開(kāi)通瞬態(tài)過(guò)程中必將承擔(dān)更大的集電極電流，閾值電壓大的IGBT與此相反。兩者的開(kāi)通延遲時(shí)間差可以表示為

由式（3）可知，當(dāng)已知并聯(lián)IGBT 模塊的閾值電壓VTH1和VTH2（VTH1＜VTH2）時(shí)，可以得到兩者的開(kāi)通延遲時(shí)間差異ΔTdon?；诖?，可以在設(shè)置驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)，令閾值電壓大的T2管優(yōu)先導(dǎo)通ΔTdon，在理論上即可削減由于閾值電壓帶來(lái)的并聯(lián)IGBT動(dòng)態(tài)不均流影響。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與討論

3.1 閾值電壓測(cè)定

為了對(duì)式（3）對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間補(bǔ)償方法進(jìn)行驗(yàn)證，需要保證不同模塊之間的閾值電壓差異足夠明顯，本文選用在某三相逆變器上已經(jīng)工作超過(guò)1 000 h 的三個(gè)IGBT 模塊作為研究對(duì)象，首先對(duì)其閾值電壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試電路如圖4所示，測(cè)試方法如下：

圖4 被測(cè)器件閾值電壓測(cè)量示意圖Fig.4 Threshold voltage measuring circuit of the IGBT under test

1）通過(guò)銅質(zhì)連接件將單個(gè)IGBT 模塊的集電極端子C、發(fā)射極端子E 分別短接，再通過(guò)導(dǎo)線將驅(qū)動(dòng)端子G和集電極端子C短接，確保VCE=VGE；

2）通過(guò)可控電壓源連接模塊的集電極C與發(fā)射極E，同時(shí)串接電流表，在G，E端子之間并聯(lián)電壓表；

3）不斷提高可調(diào)電壓源的電壓，根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的閾值電壓測(cè)試條件[11]，當(dāng)電流表示數(shù)為240 mA時(shí)，G，E之間的電壓表示數(shù)即為閾值電壓VTH。

三個(gè)模塊的閾值電壓測(cè)試結(jié)果分別為：VTH1=5.61 V，VTH2=5.74 V，VTH3=5.89 V。根據(jù)式（3），模塊間閾值電壓的差異將使得并聯(lián)支路的IGBT 模塊產(chǎn)生不同的開(kāi)通延遲時(shí)間，將上述三個(gè)模塊兩兩組合，可以得到3 種并聯(lián)測(cè)試方案，表1 給出了3種方案下所對(duì)應(yīng)的IGBT開(kāi)通延遲時(shí)間。

表1 VTH存在差異時(shí)的延遲時(shí)間差異Tab.1 Equivalent turn-on delay time when VTH differs

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

由于疲勞老化的影響，上述并聯(lián)組合中IGBT模塊的參數(shù)發(fā)生了不同程度的改變，這將導(dǎo)致每個(gè)并聯(lián)支路的IGBT 具有不同的開(kāi)通時(shí)刻，進(jìn)而產(chǎn)生不均流，率先開(kāi)通的器件將承載更大的電應(yīng)力。根據(jù)表1得到的三種并聯(lián)組合的開(kāi)通延遲時(shí)間，可對(duì)雙管并聯(lián)IGBT進(jìn)行均流控制。為驗(yàn)證所提出的均流控制方法，在直流母線電壓為1 500 V的工況下，首先對(duì)3種并聯(lián)組合的IGBT 模塊分別進(jìn)行雙脈沖測(cè)試。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)參數(shù)包括：柵極驅(qū)動(dòng)電阻RGON=3.8 Ω，柵極驅(qū)動(dòng)電壓（正向）VGON=15 V，柵極驅(qū)動(dòng)電壓（負(fù)向）VGOFF=-15 V，柵-射極電容CGE=184.78 nF，直流電壓VDC=1 500 V，直流電流IC=2 000 A，供電直流電容C=5 600μF，負(fù)載電感Lload=0.05 mH。隨后，通過(guò)提前補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間的方式重復(fù)上述測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 IGBT模塊并聯(lián)均流實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test experiment results of IGBT modules parallel current sharing

圖5 中，圖5a～圖5c 分別對(duì)應(yīng)方案Ⅰ～Ⅲ中不加延遲時(shí)間的結(jié)果，圖5d～圖5f 則分別對(duì)應(yīng)方案Ⅰ～Ⅲ中提前補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間的結(jié)果。為對(duì)測(cè)試結(jié)果的不均流度進(jìn)行評(píng)估，定義不均流度k如下：

式中：Imax，Imin分別為IGBT在開(kāi)通過(guò)程中集電極電流尖峰處支路電流的最大值和最小值。

從圖5a～圖5c可以看出，在IGBT 開(kāi)通瞬態(tài)過(guò)程中，閾值電壓較小的IGBT 具有更短的開(kāi)通延遲時(shí)間，因而率先開(kāi)通，在開(kāi)通過(guò)程中有更多的溝道電子進(jìn)入空間電荷區(qū)與空穴發(fā)生復(fù)合，加快對(duì)集電極側(cè)空穴載流子的抽取，從而承擔(dān)更大的集電極電流，且并聯(lián)支路間IGBT 的閾值電壓差異越大，不均流效果越明顯。從圖5d～圖5f 中可以看出，在加入根據(jù)式（3）計(jì)算的驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間后，并聯(lián)IGBT 模塊的開(kāi)通時(shí)間差異得到了較好的修正，在集電極電流上升過(guò)程中，模塊間達(dá)到了較好的均流效果，但是在尖峰處的電流值仍有一定差異，這主要是由于IGBT 模塊內(nèi)部柵極回路也有一定電阻，但是該部分電阻較難提取。因此，在計(jì)算開(kāi)通延遲時(shí)間差時(shí)，本文只考慮了驅(qū)動(dòng)板上的柵極回路電阻，模塊內(nèi)部的電阻未予以考慮，導(dǎo)致計(jì)算出的延遲時(shí)間差異稍小，電流尖峰附近仍有一定不均流，但是可以看出，通過(guò)補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間的方法可以將不均流度由最大的14.04%降低到2.21%，達(dá)到了較好的模塊并聯(lián)均流效果。

4 結(jié)論

本文以大功率IGBT 模塊并聯(lián)為研究對(duì)象，在分析閾值電壓差異影響動(dòng)態(tài)不均流的機(jī)理基礎(chǔ)上，基于IGBT 內(nèi)部參數(shù)，建立了閾值電壓差異與驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間之間的定量關(guān)系，進(jìn)而提出了一種通過(guò)加入驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間控制并聯(lián)動(dòng)態(tài)均流的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法最大可以將不均流度由14.04%降低到2.21%，具有較好的均流效果。本文所提出的均流策略可以為并聯(lián)均流控制提供解決思路，同時(shí)也有望進(jìn)一步擴(kuò)展至多個(gè)模塊并聯(lián)的工況。