作者：微叶科技 时间：2015-10-26 10:25
本文通过仿真详细分析了影响IGBT并联运行中静、动态不均流的重要因素。静态不均流主要是由于并联的IGBT器件饱和导通压降不对称和集电极、发射极引线的等值电阻不一致导致的；影响动态不均流的主要因素有驱动方式的设计、栅极电阻Rg、门槛电压Uge(th)、密勒电容C等。本文在分析IGBT并联运行不均流的同时也提出了一些有助于并联设计的建议，所给出的波形在测试和评价并联系统时可以作为方向性参考。由于时间仓促，未能进行样机的试验，但是笔者坚信，在理论的指导下，样机一定会更加完善。
大功率IGBT并联运行能够承受更高的负载电流，但是大功率IGBT并联设计时需要考虑静、动态均流问题。PSpice仿真分析表明，影响静态均流的主要因素是IGBT模块的饱和导通压降和集电极、发射极引线的等值电阻；影响动态均流的主要因素涉及驱动电路、IGBT器件参数和主电路布局。提出了IGBT并联均流的措施，分析了IGBT并联电路设计的关键点，并通过仿真分析验证了所提出方法的可行性。
随着轨道交通行业对兆瓦级大功率变流器的需求与日俱增，对IGBT的电流、电压和功率等级提出了更高的要求。为满足大功率电路设计的需求，通常直接选用大功率等级的IGBT或选用功率等级较小的IGBT通过串并联满足电路要求。前者将大大增加产品成本和驱动电路的复杂性，后者由于市场货源充足、驱动功率低且驱动线路简单广受追捧。因此，采用IGBT并联提高电流以满足工业要求，将有很大的实际应用价值。
然而，IGBT并联电路由于IGBT器件参数不一致、驱动电路设计不合理及电路布局不对称等，将会引起流过并联IGBT器件的电流分配不均匀。均流不佳会造成有的器件电流不足而有的过载，导致设备输出效果不理想，甚至造成器件和装置损坏。文章将结合PSpice仿真对IGBT在并联运行条件下出现的不均流现象进行研究。
1 IGBT并联仿真电路图
主电路的仿真图如图1所示，主电路为电压型全桥逆变电路，共有4个桥臂，每个桥臂由两个并联的IGBT模块组成，成对的两个桥臂同时导通，两对桥臂交替导通180°。通过仿真观察桥臂中并联IGBT的电流分配情况。IGBT模块型号为三菱CM200DY-12E[2]。
图1 并联IGBT组成H桥逆变电路
2 静态均流分析
IGBT并联使用时，引起静态不均流的主要因素是器件的饱和导通压降Uce(sat)和集电极、发射极引线的等值电阻。
2.1饱和导通压降Uce(sat)
考虑到IGBT并联时的饱和导通压降Uce(sat)，流过IGBT的导通电流Ic的计算式为：
式中：R——饱和导通时的通态电阻；U0——集电极电流为零时的集射极电压；Ice——饱和导通电流；Uce——集射极电压。
相同型号的IGBT并联时，U0和Ice为定值，由式（3）可知，IGBT并联时导通电流主要受饱和导通压降的影响。
虽然IGBT并联设计时选用相同型号的IGBT模块，但是由于IGBT制造工艺上存在缺陷，致使饱和导通压降Uce(sat)存在误差。为了加大Uce(sat)不一致时的对比力度，主电路中IGBTZ1、Z3~Z8选择型号为CM200DY-12E，Z2选择型号为CM200DY-12H，饱和导通压降Uce(sat)分别为2.2V和2.7V，其他电路参数一致。通过PSpice仿真分析Z1和Z2中的导通电流，如图2所示，饱和导通压降Uce(sat)较小的IGBT流过较大的静态电流。在仿真图中，开通和关断电流不一致主要是由于门槛电压Uge(th)不一致造成的。
图2 Uce(sat)不同时导通电流波形
2.2集电极和发射极引线的等值电阻
若连接集电极或发射极的引线长度存在偏差，一是会导致集电极或发射极的等值电感不同，二是会导致两者的等值电阻有微小差异。考虑等值电阻的微小差异，主电路中IGBTZ1、Z3~Z8的型号为CM200DY-12E，Z2替换为CM200DY-24E，其他电路参数一致，饱和导通压降Uce(sat)分别为2.2V和2.5V。当连接至Z2集电极或发射极的引线长度大于连接至Z1的集电极或发射极的引线长度时，等值电阻RV2>RV1，等值电阻差值ΔR约为0.005Ω时。仿真波形如图3所示，饱和导通压降较大且IGBT模块端引线等值电阻大，则会导致静态电流过补偿。若连接至Z2的引线长度小于连接至Z1的引线长度，RV2﹤RV1，等值电阻差值ΔR为0.005Ω。此时，仿真波形如图4所示，饱和导通压降较小且IGBT模块端引线等值电阻大，流过Z1的静态电流与流过Z2的静态电流相等，静态电流完全补偿。
图3 过补偿波形 图4 完全补偿波形
仿真结果表明，并联IGBT元件的饱和导通压降小、导通电流大，可以通过增加集电极或者发射极引线的等值电阻达到降低导通电流的目的[3]。ΔR的值可由下式近似计算:
式中：ΔU——饱和导通压降的差值；Uce1(sat)——Z1的饱和导通压降；Uce2(sat)——Z2的饱和导通压降；ΔR——电阻差值；Iav——理想情况下IGBT并联时的均流电流。
仿真结果还表明，IGBT并联电路中IGBT器件选型一致时，微小的集电极或发射极引线的等值电阻差异将引起静态均流的巨大差异，因此并联IGBT器件的布局和引线布置对均流有重大影响。设计时应尽量使元件位置对称、引线长度一致且短；引线最好选用截面积较大的多股线或母排。
3 动态均流分析
动态不均流主要是由于并联的IGBT开通和关断时间不一致引起的。影响并联的IGBT开通和关断时间的因素很多，其中主要影响因素有驱动方式的设计、栅极电阻Rg、门槛电压Uge(th)、密勒电容Cge等
3.1驱动电路
3.1.1驱动方式的设计
如图5所示，共驱动器实现两个并联IGBT模块的驱动[5]。共驱动器电路简单、性价比高且电路参数一致；栅极驱动脉冲不存在传输延时差异，保证了并联IGBT的开通时间Ton和关断时间Toff完全同步，容易实现最佳的动态均流。
图5 共驱动器的驱动方式
如图6所示，并联IGBT分别由各自的驱动器和驱动回路实现驱动，相比并联IGBT共用驱动器，驱动线路复杂、驱动器性价比低且驱动器内部器件参数存有误差，器件延迟时间不同，导致驱动脉冲不同步，这是导致开通时间Ton、关断时间Toff不一致的关键因素。因此，要求并联的IGBT尽量使用同一个驱动器并要求驱动器内部驱动信号的延时极短。
图6 独立驱动器的驱动方式
3.1.2栅极电阻的设计
栅极电阻R1、R2的阻值同步增长（0.5~20.5Ω，步长10Ω）时，IGBT开通波形如图7所示，IGBT关断波形如图8所示。仿真结果表明，栅极电阻阻值增大，驱动脉冲上升沿、下降沿延长，IGBT的开关过程减慢[6]。仿真结果还表明，栅极电阻取值较小时，IGBT关断电流产生寄生振荡，严重影响IGBT的安全工作；栅极电阻过大时，开关损耗又会相应增加。因此，选择栅极电阻时既要保证关断电流不产生寄生振荡，又要尽量选择较小的栅极电阻以降低开关损耗。
图7 IGBT开通波形
图8 IGBT关断波形
在栅极电阻取值较小的情况下，研究栅极电阻与负载阻值的关系。栅极电阻R1、R2取0.5Ω时，负载电阻阻值同步增长（1.25~3.25Ω，步长1Ω），仿真波形如图9所示。
图9 振荡波形
负载电阻为1.25Ω，负载电流为200A时IGBT关断，负载电流产生关断振荡；负载电阻阻值为2.25Ω和3.25Ω时，则没有发生负载电流的关断振荡。因此，在栅极电阻的设计时，既要考虑栅极电阻的取值，又要考虑负载电阻的取值。
3.1.3驱动回路的设计
驱动回路的合理布局和设计可以获得更好的并联性能。为了尽量减少并联IGBT驱动电路中栅极电阻和栅极电感的差异，驱动板应尽可能安装在IGBT模块上，使驱动线对称分布且最短；驱动线最好使用双绞线或者屏蔽线，避免驱动线与主回路母线平行，降低电磁场的干扰。
3.2 IGBT器件参数
3.2.1门槛电压Uge(th)的影响
IGBT器件Z2替换为CM200DY-24E，增加集电极或发射极引线的等值电阻以补偿静态电流，仿真结果如图4所示，静态电流得到了完全补偿。虽然静态电流得到了完全补偿，但CM200DY-12E和CM200DY-24E型号的IGBT的门槛电压Uge(th)分别为3.6V和6.6V，使得并联IGBT在开通和关断时动态不均流。若并联的IGBT门槛电压不同，开通时，门槛电压较小的IGBT先导通，承担整个桥臂的电流，出现电流尖峰，有可能会超过安全工作区，且形成很大的di/dt，直到门槛电压较大的IGBT导通后，电流才开始减缓下降；关断时，Uge(th)较大的IGBT先关断，Uge(th)较小的IGBT承担整个桥臂的电流，且形成很大的di/dt，直到门槛电压较小的IGBT也关断，电流才立刻降下来。
因为改变栅极电阻阻值可以改变IGBT开通和关断的延迟时间，所以可以通过调整栅极电阻阻值解决由Uge(th)不同导致IGBT并联时的动态不均流问题。R1阻值由5.5Ω增至13.5Ω时的动态电流补偿效果如图10所示。
图10 动态电流补偿波形
3.2.2密勒电容的影响
密勒电容C1、C2电容值同步增长（0.5～20.5nF，步长10nF）时，仿真结果如图11所示。密勒电容值越大，电路时延越长，导致密勒电容较小的IGBT先开通、先关断，密勒电容的微小变化对并联IGBT的关断产生了极大的影响。
图11 IGBT关断延时波形
3.3电路布局
合理的电路布局和设计可以获得更好的IGBT并联特性，建议：
1）模块配对方面。并联的IGBT模块最好选用同芯片技术、同型号、同生产日期和同一包装内的IGBT器件，力争实现器件参数的完全匹配。
2）均匀散热方面。IGBT模块的特性曲线随温度的改变而改变，要求不能超过最高结温；并联的IGBT模块布局应尽量对称、紧凑、引线短且对称；并联的IGBT模块最好安装在同一个水冷或者风冷散热板上，保证他们能够在接近的工作温度下工作，有利于热平衡，减少IGBT工作结温差异[7]。
3）连接并联的IGBT模块的集电极和发射极引线
应尽量短且对称，尽量减小集电极、发射极的等值电感和电阻，争取实现等值电感的对称和一致。等值电感的存在降低了并联器件的开关速度，并且参与了寄生振荡的形成。实际应用中，等值电阻的不一致将会引起静态均流的巨大差异；集电极和发射极等值电感对并联IGBT的动态性能有一定影响，所以集电极和发射极等值电感差异必须控制在一定范围内。
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