关于IGBT模块的并联设计方案,哪种方案更合理？

1 引言
　　随着市场对兆瓦级大功率变流器的需求与日俱增，IGBT并联方案目前已成为一种趋势。这主要源于IGBT并联能够提供更高电流密度、均匀热分布、灵活布局以及较高性价比(这取决于器件及类型)等优势。图1所示为经常会采用的两种IGBT并联方式，即模块之间和臂之间。通过将小功率IGBT模块(包括分立式IGBT)、大功率IGBT模块进行并联组合，可获得不同额定电流的等效模块，且实现并联的连接方式也很灵活、多样。以高压变频器中广泛采用的H桥拓扑结构功率单元为例，其并联实现可以用不同电路结构的IGBT模块，如半桥“FF”、单个“FZ”、四单元“F4”和六单元“FS”。这将使客户有很大自由度选择性价比高的并联解决方案。另外，并联可降低模块热集中，使其获得更加均匀的温度梯度分布，较低的平均散热器温度，这有益于提高热循环周次。因此，IGBT并联是大功率设计应用的最佳解决方案之一。


 
图1 臂或模块并联


　　然而，并联IGBT之间静态与动态性能的差异会影响均流，使得有效目标输出电流不得不被降额。通常，降额系数是根据最差的并联情况进行假定，但这种假设在实际应用中并不合理，且被过高估计，这也会增加客户设计成本。从统计角度方面，差异性很大的模块并联概率是很小的，且IGBT参数之间偏离可以忽略。从均流角度方面，并联设计好坏对降额起关键性的作用，且远大于IGBT自身参数差异性所引起的问题。因此，并联应重点考虑如何通过设计确保均流，而不是把重心放在模块参数偏离所造成的影响。表1为说明哪些因素会引起均流的差异。并联设计将集中在这些因素上面以优化驱动回路、功率换流回路、模块布局以及冷却条件等, 其目的是确保每个并联支路尽可能实现对称。本文将提供一些并联设计方面的措施和建议，以帮助客户成功完成并联。


 
2 静态性能
 
　　2.1 PTC 特性
　　在不同额定电压(600V、1200V、1700V 和3300V)条件下，英飞凌NPT和沟槽场终止IGBT芯片的饱和电压VCEsat都随着结温升高而增加，呈现正温度系数特性。图2为300A沟槽场终止芯片在15V栅极电压条件下不同结温时的饱和电压特性。这表明并联IGBT的静态均流可动态地自我调节平衡。如果较高电流通过一个并联支路或不均匀冷却导致运行结温偏高，其VCEsat 就会相应升高，并将电流转移至其它饱和电压较低的支路，以实现自我保护。因此，PTC特性有利于实现IGBT并联的均流。


 
图2 Tvj为25 ℃ 和125℃时的VCEsat
 
　　2.2 饱和电压VCEsat分布
　　图3为在相同的栅极电压和结温条件下不同饱和电压的IGBT输出特性曲线，其可以用一次函数来描述，其等效斜率电阻会对均流有影响。像图3所示，由于IGBT1的等值电阻较小，对应并联支路电流会较大。不过，英飞凌NPT和沟槽场终止芯片饱和电压在整个分布范围内呈现正态特性，这也源于出色的生产过程和晶圆处理能力。因此，从统计角度，很少会出现最差并联情况。为了尽可能减少这种IGBT自身差异性所带的均流问题，建议并联的IGBT应采用相同芯片技术、模块型号和生产日期。如果可能，最好用同一包装内的IGBT模块进行并联。


 
图3 输出特性
 
　　2.3 功率换流回路电阻Rs
　　图4为直流回路母线和交流输出的不对称性并联连接(如虚线所示)。这种差别会引起并联换流回路不同的等值电阻，像图所示支路2距离直流母线并联连接点或输出点较近，会有较小的等值电阻，进而会流过较大的静态电流。而且，静态电流Ic1 与Ic2 的这种差异远大于饱和电压分布不同所引起的差异。因此，直流回路以及输出回路母线布局、电解电容和IGBT模块的布局需要经过优化，使每个并联支路尽量对称和一致。有时，尽管并联IGBT的母线为同一根铜排，具有相同的电势，然而与母线连接点的不同也将会导致电流不平衡。


 
图4 非对称并联与不平衡电流
 
　　3 动态性能
　　3.1 栅极电阻
　　3.1.1 阈值电压VGEth
　　并联IGBT驱动所用分开栅极电阻相比公用连接方式而言，可以改善动态过程均流。这也可以降低由于阈值电压VGEth 之间偏差引起的动态不平衡。图5为测试所用的示意图，额外串联的二极管用于有意增加并联IGBT之间的VGEth 差异。测试在相同的、对称的并联功率回路和驱动器条件下进行，图6为测试的对比波形，其中红色为栅极电压，蓝色和绿色为并联支路的电流。试验结果进一步证明了分开栅极电阻在并联驱动设计中的重要性。此外，对于并联IGBT而言，栅极电阻Rg 和栅极与发射极之间电容Cge (如果需要)的容差应当尽可能低。


 
图5 测量示意图


 
图6 波形对比
 
　　3.1.2 杂散电感Lδ
　　建议把栅极电阻分成2/3部分作为Rg，1/3部分作为Re。辅助Re 能够降低由于功率换流回路杂散电感不对称引起的动态电流不平衡。图7为由辅助Re形成的一个负反馈机制开通过程，其中一个IGBT开关速度快，另一个则相对较慢，近而在杂散电感上会产生Ve1和Ve2 电压，二者压差生成一个用红色标出的环路电流i。这个电流会在辅助Re 上产生电压使开通较慢的IGBT栅极电压升高，加速开通过程。相反，开通较快的IGBT降低栅极电压，减缓开通速度。图8为在不对称功率回路、相同驱动回路的测试条件下，有Re 和没有Re时开通过程动态均流的对比结果。因此，对栅极电阻进行分开设计有助于不对称回路的动态均流。


 
图7 带辅助Re的栅极驱动器原理


 
图8 波形对比
 
3.2 驱动回路
　　3.2.1 设计方案
　　栅极驱动回路设计对于并联应用实现动态均流起到至关重要的作用。如图9所示为通常较多采用简单的、性价比高的单个驱动器方案，容易实现较好的动态均流。有时直接在每个并联的模块上安装具有峰值电流放大功能的有源适配器板，这样尽可能地靠近IGBT的辅助端子，达到降低驱动回路寄生电感以及完美对称性的目的。这种方案降低了驱动回路之间的传输延时差，容易使并联IGBT之间的栅极电压同步，实现最佳的动态均流。而且有源适配板的采用可以降低驱动核的电流密度，加速并联IGBT的开通过程，也容易实现用小电流、低成本的驱动器实现并联。


 
图9 单驱动器


　　图10为另一个驱动器方案，每个IGBT分别由各自的驱动核和驱动回路实现并联驱动。这个相对于单驱动器而言，略显复杂、成本也高。可采用低峰值电流的标准驱动器，易实现短距离连接。不过，不同驱动器之间的传播延时不匹配是影响动态均流的主要因素，也比较难以控制。


 
图10 独立驱动器
 
　　3.2.2 连接电缆
　　图11为驱动回路寄生电感的分布情况。有时，由于安装空间和位置的限制，必须将连接电缆缠绕起来或走很远距离，这都会导致较大的回路寄生电感，引起IGBT开关过程变慢，也导制开关过程损耗增加。在一些特定开关条件下IGBT模块的寄生电容和等效寄生电感可能造成栅极严重振荡问题，近而可能导致栅极过电压。


 
图11 驱动环路寄生电感分布


　　在通常情况下，电缆长度或栅极驱动器环路PCB走线的差别可能会导致并联IGBT动态电流出现不平衡。图12为在不同电缆长度条件下(蓝色：10厘米;绿色：25厘米)的开关过程，其中连接电缆较短的IGBT开关速度较快，引起瞬间开通电流偏大，相反电缆很长的IGBT关断过程也较慢，引起瞬间关断电流偏大。因此，关联IGBT驱动所用的连接电缆一定要用相同长度。


 
图12 不同长度电缆
 
　　3.3 功率换流回路杂散电感Lδ
　　并联IGBT之间功率换流回路的杂散电感差异会对动态均流产生重大影响，尤其对于大功率模块而言。对称性并联连接是决定动态均流的关键性问题，这会涉及IGBT封装、器件布局和系统构架等相关因素。如果一个支路的杂散电感高于另一个支路的杂散电感(如图4所示)，就会产生相应如图13所示的典型不平衡开关电流波形。因此，必须严格实现并联功率换流回路的对称性和一致性，确保尽可能相同的杂散电感。通常，一个有效办法是采用叠层母排结构，通过优化模块布局，有时在母线上故意增加孔或铜排设计成“之”字型等措施，以获取相同的功率换流路径。


 
图13 不平衡电流
 
　　4 IGBT 封装
　　在并联设计过程中，IGBT模块的封装形式和功率端子的位置也是至关重要的考虑因素。这可能会影响驱动方案的设计和选择、叠层母排的实现等方面。英飞凌提供了各种IGBT模块的封装平台，如适用于并联的EconoDUALTM、EconoPACKTM+ 和 PrimePACKTM 等。图14是模块并联的示意图，利用这些参考方法容易实现并联母排的对称性，降低回路杂散电感。此外，方便将有源适配板放置于模块表面，获得很好的驱动设计方案。


 
PrimePACK3


 
EconoDUAL3
图14 最佳并联和l布局
 
　　5 均衡措施
　　5.1 驱动回路
　　合理的驱动回路布局和设计可以获得出更好的并联性能。建议以下设计准则：
　　使驱动栅极与IGBT之间的驱动回路具有最小的环路面积，以期较低的寄生电感。
　　驱动输出与IGBT栅极之间的双绞线或扁平连接电缆应尽可能短地实现对称连接。
　　避开将驱动回路PCB引线或连接电缆的布局或安装处于由于IGBT开关所产生电位变化的位置上。此外，如有必要，可加装屏蔽层。
　　选择具有良好的抗共模干扰能力的驱动器，也即有较高dv/dt。
　　通常情况下，建议在模块上直接安装驱动适配板以及采用等长、尽可能短的双绞线连接驱动和模块。图15为PrimePACKTM 有源适配器板及其安装的一个例子。另外，应当尽可能减少驱动线或电缆与主功率回路平行，尽可能地远离功率回路，降低互感，避免驱动回路被强磁场干扰。


 
图15 适配板MA300
 
　　5.2 散热
　　并联IGBT之间的冷却差异会引起工作结温不同，进而影响IGBT的动态和静态特性，使电流出现不平衡。因此，建议并联IGBT模块要安装在相同的散热器上，尽可能地靠近以降低冷却的差异，以获得最佳的热耦合，达到优的热平衡状态。另外，并联IGBT的散热膏厚度应尽可能地均匀和一致。
　　5.3 输出电抗器
　　如图16所示为在每个并联支路外加输出电抗器的连接方式，并联回路之间的杂散电感不同主要取决于输出电抗器之间的差异，容易被实现和控制。这将会更好地实现动态均流过程。不过，这会增加系统成本和功耗，也较复杂。


 
图16 输出电抗器
 
　　5.4 输出扼流圈
　　图17为每个并联支路相互交叉串入扼流圈的连接方式，这样可以确保静态电流之间的均衡。如果有电流不均衡出现，扼流圈会产生电抗，抑制电流差异性。同时，降低共模环流，减少并联支路内部磁场的影响。这种连接方式使各个支路相互牵制、相互平衡，达到较好的静态均流。


 
图17 扼流圈
 
　　6 总结
　　本文分析了影响IGBT并联的相关因素，并阐述一些有助于设计并联的提议，同时，建立相关的测试平台进行试验验证。本文所涉及的相关波形也可以作为客户测试、评价并联系统的方向性参考。最后，对并联设计提出一些实用的技巧和方法，通过采用适当的措施和方案可最大程度地降低或避免并联降额。