大功率IGBT模块并联均流问题研究

第38巷第1期 2004年 2月 电力电子技术 Power Electronics 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 IGBT扩容的并联 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了导致 IGBT模块并联运行时不均流的各种因素，提出了相应的解 决 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，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 Paralleling SUN Qiang。WANG Xue—ru。CA0 Yue—long (Xi’~zn University ofTechnology，Xi’an 710048。China) Abstract：To extent the rating range of current of IGBT，the parallel methods are presented in this paper．The fac． tots led tO current unbalances of each IGBT in parallel are analyzed and corresponding solutions are proposed．The effects are verified by simulation and experiments． Key words：IGBT：parallel；on—state current balance；dynamic current balance 1 引 言 由于 IGBT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 IGBT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 IGBT模块将大大提高产品成本和驱 动 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 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 IGBT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 IGBT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 VCE(蛆I1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。 4 基金项目：国家“十·五”重大专题(2001BA311A_06．3) 定稿日期：2003—10—10 作者简介：孙 强(1955一)，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 VQ。，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 IGBT模块输出特性比较 图中 V。l，Vo2——VQi，V 的集 电极 电流为零时对应的 集射极电压 AVl，△V2——电流为 JQ，Jc。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L1]： VcE(蛆t)1=V。1+ 1Icl (1) VCE(3at)2=V。2+ 2 c2 (2) 式中 ： VQ1，VQ2并联，有： VCE(3at)1 VCE(3at)2 ct。t c1+ Q 因此： = 亭 (3) 警 (4) 定义电流不平衡率 ： 维普资讯 http://www.cqvip.com 大功率 IGBT模块 并联均流 问题研究 jc1一Ic2 2(Vo2一V。1)。 2一 1 ， 、 __ + 5) 当 V。1兰Vo2时，随着总电流 ICtot的增加，有： = ~ ．． ． 7"2-- Y1 (6) o 当 V。1兰 Vo2时，器件的通态电阻(VcE／1c)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 VcE( 完全匹配。 (2)静态降额率 由于饱和压降 VcE( 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 可由以下公式计算[ ： 1一 (7) 式中 ——静态降额率 I ——并联模块能提供的总额定电流 J ——单个模块的最大额定电流 。— — 并联模块的数 目 由式(7)得： jT=(1一 。) 。jM (8) 电流的静态降额率与饱和导通压降 VcE( 、结 温、电路设计等因素有关。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 IGBT模块的依据。 2．2 并联运行动态均流 匹配的饱和压降 VcE( 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 GE时，其中转移特性陡峭的 IGBT模 块将承担大部分电流，开关损耗较大。 在高频情况下，需要考虑动态降额。动态降额率 可由下式定义 J： d=1一[( 一1)(1— )+1]／ 。 (9) 式中 ——动态不 匹配度， =AIc(PK)／Ic(PK一)，△Jc(PK) ／C(PK rnax)一 ／C(PK nn) J ( 一)——单模块独立运行时最大允许峰值电流 Jc( x )——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 J。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 IGBT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VI1，VI2(虚线框内)均采用三菱公司生 产的半桥 IGBT模块 CM300DY一28H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 VI1，VI2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 维普资讯 http://www.cqvip.com 第38卷第1期 2004年 2月 电力电子技 术 Power Electronics Vo1．38．No．1 February，2004 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 ycE( 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 VI1，VI2的 开 启 电压 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 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。 6 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40 H，开关器件 为西门康 SKM400GB176D，并联四路 IGBT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 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 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 =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。 蜂 0 t：ms／格 t：ms／格 (a)下桥臂 Ⅵ l2的端电压 (b)IGBT的开关电流渡形 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 IGBT两端电压波形和流经 IGBT 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 IGBT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．Non-Dissipative Dynamic Current．Shar． ing Snubber for ParaUd Boost Connected IGBTs in High Power Converters．IEEE APEC Conf ’99．1999，2：1105 ～ 1111． [2] Dynex Semiconductor．AN5505．Parallel Operation of Dynex IGBT Modules[Z]，2001． [3] 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