大功率IGBT模块并联均流问题研究

大功率 IGBT模块并联均流问题研究 孙 　强 , 王雪茹 , 曹跃龙 (西安理工大学 , 陕西 西安 　710048) 摘要 :介绍了 IGB T 扩容的并联方法 ,分析了导致 IGB T 模块并联运行时不均流的各种因素 ,提出了相应的解 决 ,并进行了仿真分析和实验验证。 关键词 :绝缘栅双极晶体管 ; 并联/ 静态均流 ; 动态均流 中图分类号 : TN86 　　　文献标志码 :A 　　　文章编号 :1000 - 100X(2004) 01 - 0004 - 03 Study of the Current Balance of IGBTs in Parallel ing SUN Qiang , WAN G Xue2ru , CAO Yue2long ( Xi’an U niversity of Technology , Xi’an 710048 , China) Abstract :To extent the rating range of current of IGB T , the parallel methods are presented in this paper. The fac2 tors led to current unbalances of each IGB T in parallel are analyzed and corresponding solutions are proposed. The effects are verified by simulation and experiments. Key words :IGB T ; parallel ; on2state current balance ; dynamic current balance 1 　引　言 由于 IGB T 综合了 GTR 和 MOSFET 既具有大 电流、低饱和压降 ,又具有高输入阻抗、驱动简单和 开关频率高等优点 ,特别适合于中高频、中大功率应 用。当单个主开关器件的容量不能满足功率要求 时 ,通常用两种方法来提高功率等级 : ①直接选用更 大功率等级的器件 ; ②采用功率等级较小、市场货源 充足、驱动功率低且线路简单的 IGB T 模块 ,通过 串、并联来满足耐压、耐流等级的要求。由于单纯采 用高功率等级 IGB T 模块将大大提高产品成本和驱 动电路的复杂性 ,因此采用多管并联提高电流定额 以满足工业要求。但由于并联的 IGB T 自身参数的 不一致及电路布局不对称 ,势必引起器件电流分配 不均衡 ,严重时会使器件失效甚至损坏主电路。为 此 ,须采取相应的措施来解决并联器件的均流问题。 2 　影响并联均流主要因素及改善措施 IGB T 并联应用时的电流分配不均衡主要有两 种 :静态电流不均衡和动态电流不均衡。静态电流 不均衡主要由器件的饱和压降 V CE(sat) 不一致所引 起 ;而动态电流不均衡则是由于器件的开关时间不 同步引起的。下面将详细讨论影响静、动态电流分 配不均衡的主要因素 ,并给出相应的解决措施。 基金项目 :国家“十·五”重大专题 (2001BA311A0623) 定稿日期 :2003 - 10 - 10 作者简介 :孙 　强 (1955 - ) ,男 ,安徽凤阳人 ,教授 ,研究 方向为大功率特种电源。 2 . 1 　并联运行静态均流 (1)饱和压降对静态均流的影响 稳态时 ,主要是单个模块的输出特性影响电流 的分配。两个输出特性不一致的器件 VQ1 ,VQ2 并 联运行时的电流分配 (简称分流)情况如图 1 所示。 图 1 　并联 IGB T 模块输出特性比较 图中 　V o1 , V o2 ———VQ1 ,VQ2 的集电极电流为零时对应的 集射极电压 　 　ΔV 1 ,ΔV 2 ———电流为 IC2 , IC1时对应的两管通态电压 变化量 VQ1 ,VQ2 的输出特性可近似描述为[1 ] : V CE(sat) 1 = V o1 + r1 IC1 (1) V CE(sat) 2 = V o2 + r2 IC2 (2) 式中 　r1 = ΔV 1 IC1 - IC2 , r2 = ΔV 2 IC1 - IC2 VQ1 ,VQ2 并联 ,有 : V CE(sat) 1 = V CE(sat) 2 ICtot = IC1 + IC2 因此 : IC1 = V o2 - V o1 + r2 ICtot r1 + r2 (3) IC2 = V o1 - V o2 + r1 ICtot r1 + r2 (4) 定义电流不平衡率σ: 4 第 38 卷第 1 期 2004 年 2 月 　　　　　　　　　　　　　　　　 电力电子技术 Power Electronics 　　　　　　　　　　　　　　　　 Vol. 38 ,No. 1 February ,2004 σ= IC1 - IC2ICtot = 2 ( V o2 - V o1) ( r1 + r2) ICtot + r2 - r1 r1 + r2 (5) 当 V o1 µ V o2时 ,随着总电流 ICtot的增加 ,有 : σµ r2 - r1 r1 + r2 (6) 当 V o1 µ V o2时 ,器件的通态电阻 ( V CE/ IC) 是 影响电流分配不均衡的主要因素。因此 ,为确保理 想的静态均流 ,要求并联器件的 V CE(sat)完全匹配。 (2)静态降额率 由于饱和压降 V CE(sat)对并联器件均流的影响 , 当两个饱和压降不一致的器件并联时 ,必须降额使 用。电流的静态降额率δs 可由以下公式计算[2 ] : δs = 1 - I T np IM (7) 式中δs ———静态降额率 I T ———并联模块能提供的总额定电流 IM ———单个模块的最大额定电流 np ———并联模块的数目 由式 (7)得 : I T = (1 - δs) np IM (8) 电流的静态降额率与饱和导通压降 V CE(sat) 、结 温、电路等因素有关。根据生产厂家给出的不 同电压等级器件的静态降额率 ,可以推算出并联器 件的总电流 ,以此作为选择 IGB T 模块的依据。 2 . 2 　并联运行动态均流 匹配的饱和压降 V CE(sat) 有利于器件并联时的 静态均流 ,也有利于其关断时刻的电流平衡。但是 , 影响开关时刻电流均衡的主要因素是并联器件的转 移特性。此外 ,栅极驱动、电路的布局以及并联模块 的温度等因素也会影响开关时刻的动态均流。 (1)转移特性对动态均流的影响 图 2 所示的是两个转移特性不一致的并联模块 特性比较示意图。由图 2 可知 :当给每个并联模块 施加相同的 V GE时 ,其中转移特性陡峭的 IGB T 模 块将承担大部分电流 ,开关损耗较大。 图 2 　并联模块转移特性比较示意图 (2)动态降额率 由于开关时刻的动态电流不均衡 ,当器件工作 在高频情况下 ,需要考虑动态降额。动态降额率δd 可由下式定义[2 ] : δd = 1 - [ ( np - 1) (1 - φ) + 1 ]/ np (9) 式中 　φ———动态不匹配度 ,φ=ΔIC(PK) / IC(PK max) ,ΔIC(PK) = IC(PK max) - IC(PK min) IC(PK max) ———单模块独立运行时最大允许峰值电流 IC(PK min) ———并联运行时单个模块的最小峰值电流 一般说来 ,静态降额率高于动态降额率 ,实际并 联应用中须根据具体情况合理地降额使用。 (3)其他影响动态均流的因素 回路寄生电感特别是射极引线电感的不同将会 使器件开关时刻不同步 ;驱动电路输出阻抗的不一 致将引起充放电时间不同 ;驱动电路的回路引线电 感可能引起寄生振荡 ;以及温度不平衡会影响到并 联器件动态均流。 2 . 3 　改善并联电流分配不均衡的措施 欲获得理想的均流要求做到 : ①尽量选取特性 一致的器件进行并联 ; ②使用独立的栅极电阻消除 寄生振荡 ; ③选用同样的驱动电路 ,尽可能降低驱动 电路的输出阻抗和回路寄生电感 ; ④设计和安装时 尽可能使电路布局对称和引线最短 ,以减小寄生参 数的影响。⑤将并联模块放置在同一块散热装置 上 ,使模块工作温度差在 10 ℃以内。另外 ,当负载 为感性时 ,随着频率的增加 ,电流不均衡程度会减 小 ;而当输出电流一定时 ,较小的占空比有利于电流 均衡[3 ] 。当并联的器件特性不易选配一致时 ,可主 要通过调节栅极电阻值来改变器件的栅极充放电时 间 ,从而改善电流的不均衡。 3 　对并联均流的仿真分析 文中主要采用栅极电阻补偿方法来改善电流分 配的不均衡 ,并利用电路仿真软件 PSPICE 对半桥 IGB T 模块的并联不均流问题进行分析。仿真线路 考虑了缓冲电路及各种寄生参数的影响 ;在电路布 局完全对称条件下的并联仿真线路如图 3 所示。 图 3 中 V I1 ,V I2 (虚线框内) 均采用三菱公司生 产的半桥 IGB T 模块 CM300D Y - 28H 的 PSPICE 模型 , 以提高器件的耐压等级。半桥耐压为 2 800 V ,集电极额定电流300 A ,电路负载为感性。 采用图 3 所示的仿真线路 ,详细讨论器件特性对并 联电流分配不均的影响及相应的改善措施。 (1)用两个饱和导通压降不一致的器件并联作 为主开关器件 将 V I1 , V I2 的饱和压降分别改变为 3. 1 V , 2. 5 V。对低饱和压降的管子采用栅极电阻补偿前 5 大功率 IGB T 模块并联均流问题研究 后 ,两管的分流情况如图 4 所示。 图 3 　理想情况的仿真线路图 图 4 　V CE(sat) 不一致时两管的分流波形 (2)用两个转移特性不一致的器件并联作为主 开关器件 将 V I1 , V I2 的开启电压 V th 分别改变为 7. 0560 V ,6. 5560 V。对低阈值电压的管子进行栅 极电阻补偿前后 ,两管的分流情况如图 5 所示。 图 5 　V th不一致时两管的分流波形 针对饱和压降不一致对静态均流的影响和转移 特性不一致对动态均流的影响分别进行了分析 ,并 提出采用栅极电阻补偿以改善动、静态不均流的方 法。比较图 4 和图 5 发现 :补偿前 ,两管严重不均 流 ,补偿后 ,两管的不均流情况得到明显改善。 4 　实验结果 将上述分析及调节方法应用于250 kVA的微弧 氧化脉冲电源中 ,其中 ,负载电感为40μH ,开关器件 为西门康 SKM400 GB176D ,并联四路 IGB T 模块。 图 3 所示的仿真电路即为此实际电源主电路的模 型。由于特定工艺的需要和现场供电的限制 ,实际 的实验条件为 :智能全控整流模块的输出电压 V cc = 500 V ;输出波形占空比为 10 % ;频率为600 Hz。 采用栅极电阻补偿后的实验波形如图 6 所示。 图 6 　实测波形 图 6 示出的实测波形为采用栅极电阻补偿后的 半桥模块下桥臂 IGB T 两端电压波形和流经 IGB T 的电流波形 ,其它各支路电流波形与其一致。该电 源作为新开发的系列产品已正式投入生产并连续可 靠运行了一年多时间。可见采用栅极电阻补偿的方 法 ,可使并联的各 IGB T 模块获得良好的均流效果。 5 　结束语 当并联器件的参数不易选配一致时 ,可通过调 节栅极电阻 ,使并联两管开通和关断趋于同步 ,从而 有效地改善动、静态分流不均的情况。仿真分析和 实验结果验证了这种方法的有效性。 影响并联均流的因素有很多 ,在设计并联电路 时 ,应尽可能选用参数匹配的器件、对称的并联电路 布局 ,并使各种寄生电感最小化 ,以有利于器件并联 运行时达到理想的均流效果。实际应用中 ,由于受 到各种客观因素限制 ,往往需要折衷考虑各种影响 因素 ;当工作频率较低频时 ,主要考虑改善静态不均 流 ;当工作频率较高时 ,主要考虑改善动态不均流。 参考文献 [ 1 ] He J ,Jacobs M E. Non2Dissipative Dynamic Current2Shar2 ing Snubber for Parallel Boost Connected IGB Ts in High Power Converters. IEEE APEC Conf .’99 ,1999 ,2 : 1105 ～1111. [ 2 ] Dynex Semiconductor. AN5505. Parallel Operation of Dynex IGB T Modules[ Z] ,2001. [3 ] International Rectifier Application Notes. AN990. Appli2 ca2tion Characterization of IGB Ts[ Z] ,2002. 6 第 38 卷第 1 期 2004 年 2 月 　　　　　　　　　　　　　　　　 电力电子技术 Power Electronics 　　　　　　　　　　　　　　　　 Vol. 38 ,No. 1 February ,2004