大容量IGBT并联均流检测技术研究

王位，李卫超，林城美

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

大容量IGBT并联均流检测技术研究

王位，李卫超，林城美

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

采用IGBT器件并联的方法是提高装置输出电流等级的有效手段，但其带来的问题是并联器件的电流不均衡问题。为检测并联IGBT的均流程度，传统方法需检测集电极电流的准确值，存在电路结构复杂、抗扰动能力弱、稳定性低等缺点。针对这些不足，设计了一种无需检测电流值，就可以得到并联IGBT开关过程中动态均流状况的检测电路，并通过Simplorer软件对该电路功能进行了仿真验证。

大容量；IGBT并联；均流检测；Simplorer仿真

绝缘栅双极性晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）是综合了功率场效应晶体管（MOSFET）和双极型晶体管（BJT）结构的复合型器件，具有栅极驱动功率低、工作频率高、输出电流大和通态电阻小等优点。虽然目前IGBT容量等级已经涵盖了600 V～6.5 kV的电压范围和1～3 600A的电流范围，但仍然无法满足不断增长的大容量电力电子装置电能处理能力的需求［1］。

采用器件并联是提高装置输出电流等级的有效手段，其带来的问题是并联器件的电流均衡问题，即导通过程中的静态均流和开关暂态过程中的动态均流。IGBT模块并联运行时的电流不均将导致模块负荷分配的不均，使得器件寿命大大缩短，降低系统的稳定性，给系统的运行带来严重的后果。

本文针对大容量IGBT并联状态下开关暂态过程中动态不均流现象进行了研究，设计了一个集电极电流均流检测方案，通过检测IGBT器件功率发射极与辅助发射极之间杂散阻感在动态过程中的电压变化所反映出的并联器件开关暂态的时序和时长，掌握IGBT并联模块动态不均流度，为后续的门极补偿信号的产生提供有效的参考依据。

1 IGBT并联技术研究现状

概括来讲，对IGBT器件并联均流问题的研究主要围绕均流影响因素和均流改善方法两方面进行。

1.1 IGBT并联模块均流影响因素

影响静态均流的因素主要是IGBT的饱和电压、集电极电流、工作结温和回路等效电阻等，其中IGBT的通态饱和压降是导致静态不均流的主要因素。对于动态不均流的问题，其影响因素比较复杂，比如：导通阀值电压、门极电容、门极电阻、结温、杂散电感、驱动回路等［2-5］。

IGBT的动态特征参数主要包括：导通延迟、上升沿时间、截止延迟和下降沿时间。其中，导通延迟和截止延迟对于应用同一触发信号的并联器件来说，它们是直接决定动态均流特性的参数。并且，这2个参数都与导通阈值电压和通态饱和压降有关［6-8］。

经过研究与对比，可将IGBT并联模块均流影响因素总结如表1所示。

表1 IGBT并联模块均流影响因素Tab.1 Current balancing influence factors of parallel connected IGBT modules

表1中各因素影响程度分为“影响大/影响小/无影响”3类。

1.2 IGBT并联模块均流改善方法

改善IGBT并联模块的均流效果主要从2个方面考虑，首先是从并联模块自身的器件特性和电路结构方面进行设计和调整，保证并联IGBT模块的一致性和电路结构的对称性，及工作环境的相同性，这是实现并联模块均流的基础［9］。其次是通过外部的调整措施改善并联模块的均流效果，IGBT并联功率模块静态不均流主要是由于IGBT功率模块静态输出特性差异和并联支路回路阻抗不对称引起的，动态不均流主要是由于并联模块在开通过程中电流上升沿和关断过程中电流下降沿的不同步以及电流上升率和下降率的不一致引起的［10］。

IGBT在并联应用时一般采取以下3种方法来保证运行的可靠性，即降额使用法、阻抗平衡法和主动门极控制法。其中，主动门极控制法是一种能够综合性提高IGBT模块并联均流度的方法，主要通过控制门极驱动信号的延时和幅值实现。该方法首先需测量开关时刻流过各路IGBT模块的集电极电流大小，求得1个电流平均值，再通过动态均流控制器可以将各支路电流与平均电流值的差异转换成延迟或者需提前的时间差，在IGBT模块的下个开关时刻，利用该时间差对触发信号予以补偿，从而改善动态均流，其控制框图如图1所示。

图1 动态均流控制框图Fig.1 Dynamic current balancing control block diagram

实现这一控制策略的关键环节在于需测量开关时刻流过每路IGBT模块电流的大小，传统方法是采用罗氏线圈进行测量，但是该方法存在装置体积较大、线路敏感度高、抗扰动能力差、稳定性低等缺陷。本文针对这一关键环节设计了1个稳定性好、可靠性高的集电极电流不均度检测电路。

2 IGBT并联模块均流检测方法

2.1 IGBT并联模块电流检测原理

在IGBT并联模块中，器件之间的连接导线和螺丝接线端等会产生一些寄生电感，这些寄生电感会降低开关动作速度，但是如果将发射极分为2个分支，一个分支连接功率回路，另一分支连接门极驱动单元，那么这些寄生电感就可以被用来检测集电极电流［11-12］，其测量原理示意图如图2所示。这就是一种间接的测量方法，在并不需要精确测量电感LE值的情况下，通过检测辅助发射极-发射极电感LE的电压UAE-E来计算相应集电极电流波形的上升、下降时间及速率。

参数间关系如下式所示：

图2 辅助发射极-发射极电感电压测量法Fig.2 Auxiliary emitter-emitter induction voltage measurement

图2中，C为集电极，G为门极，E为发射极，AE为辅助发射极，Df为反并联二极管。该方法的优势是不需要准确检测出IGBT集电极电流的准确值，而是通过检测UAE-E的电压信号变化趋势来判断IGBT并联模块集电极电流Ic的变化情况，进而反映出并联模块的不均流情况。通过对该信号进行隔离、放大、比较等处理得出IGBT并联模块中各器件导通与关断的延时td。这一延时可通过门极信号UG在下一个开关周期进行补偿，从而在多次迭代后，实现IGBT并联模块集电极电流上升、下降时刻的同步，如图3所示。

图3 门极延时补偿策略原理图Fig.3 The principle diagram of the gate delay compensation strategy

2.2 IGBT并联模块均流检测设计方案

在上述检测原理的理论基础上，方案设计过程主要围绕获得稳定的UAE-E电压信号和对UAE-E电压信号做数字化处理的2个问题，因此，对检测电路分为测量电路和比较电路2个部分进行设计。测量电路的结构图如图4所示。

图4 测量电路结构图Fig.4 Measurement circuit diagram

2.2.1 测量电路

IGBT的发射极分为了2个部分，功率发射极E和辅助发射极AE。IGBT的辅助发射极-功率发射极电压信号UAE-E,先经过A1的滤波分压电路，消除电路中的震荡，再通过A2的阻抗隔离电路，对电压信号做降噪抗干扰处理，最后通过多级运算放大器A3将电压信号UAE-E放大，从而得到更为稳定的电压参考信号kUEe，为后续的比较电路提供参考信号。

2.2.2 比较电路

在测量电路的基础上，比较电路是对运算放大器的输出参考电压信号进行数字处理的电路。通过1个双向比较器A4，使运放输出的参考电压信号与预设的阀值电压进行比较，当参考电压幅值高于阀值电压幅值时，比较器输出高电平“1”，相反则保持“0”。由于IGBT并联模块的集电极电流在出现动态不均的情况时，辅助发射极-功率发射极电压信号UAE-E也会呈现相同趋势的变化，因此并联模块不同线路上UAE-E的上升时间、尖峰电压、下降时间等参数都会因为动态不均流而呈现出差异，只要适当调整预设的阀值电压，就可以通过比较器得到所需的时序波形，该时序波形更为稳定、直观地展示出IGBT并联模块集电极电流的不均度，可以为后续的补偿算法设计及门极补偿信号的产生提供重要的参考依据［12］。

3 IGBT并联模块均流检测装置仿真研究

在上述设计方案的构架上，通过Ansys15.0中整合的Simploer仿真软件对该设计方案进行了仿真验证。

3.1 IGBT仿真模型的建立

Simplorer软件中半导体器件IGBT分为系统级和器件级2大类。系统级模型是一种理想化的模块，而器件级模型比较复杂，是考虑了器件内部结构特性的行为模块。Simplorer中IGBT模型层次分为以下3种：平均IGBT模型、基本动态IGBT模型和高级动态IGBT模型。利用平均模型可在基本电性能和热性能层次上进行建模；而利用动态模型可以在驱动电路优化、EMI/EMC层次上进行建模；为了更好地研究驱动控制策略对IGBT并联模块均流的影响，计划选用高级动态模型来建模。

本文根据装置实际应用情况，选择建立型号为FZ3600R17KE3_B2的IGBT参数化模型，该型器件的额定电压为1 700 V，额定电流为3 600 A，适用于大容量高电流的工作环境，其开关特性、转移特性及二极管反向恢复特性等具体参数设置均参照datasheet封装在所建模型内，经半桥测试该参数化模型能够较好地在仿真过程中体现器件自身的属性，可作为后续仿真电路的搭建基础。

3.2 IGBT并联均流检测仿真电路的建立

基于Simplorer仿真软件，结合已建立的IGBT参数化行为模型，参考已确立的设计方案，IGBT并联模块均流检测单元结构框图如图5所示。

图5 IGBT并联模块均流检测单元结构框图Fig.5 Diagram for current balancing detection unit of parallel connected high power IGBT modules

如图5所示，该仿真电路模拟的是经过器件严格筛选后，由于工程装置的设计导致传输线路不对称，从而影响均流效果的情况。具有相同动静态特性的IGBT并联在直流稳压电源的负载端，除了并联支路的传输电阻与传输电感值、门极电阻值不同外，其他参数取值保持一致。IGBT功率发射极-辅助发射极的电压经过反串联稳压二极管构成的稳压电路，在经过滤波分压电路，消除杂散电感引起的震荡，接着经过隔离电路作降噪处理的电压信号传入放大电路，将放大信号与预设阀值电压信号接入双路比较器，比较器输出的结果就是所需的用来计算补偿信息的参考电压信号。只要并联支路的双路比较器的输出结果与并联IGBT模块的集电极电流不均流现象相符，则从原理上验证了该设计方案的正确性。

3.3 IGBT并联均流检测单元仿真结果分析

图6 IGBT并联模块均流检测单元仿真波形Fig.6 Simulation waveforms for current balancing detection unit of parallel connected high power IGBT modules

在上述仿真电路的基础上，通过Simplorer仿真软件进行了仿真测试，IGBT并联模块河流检测单元仿真波形如图6所示。

图6a～图6d向并联IGBT模块的门极提供完全相同的门极双脉冲驱动信号，以观查检测单元在2个开关周期过程中的工作情况。双脉冲测试中的并联IGBT模块集射极电压、集电极电流、放大的功率发射极-辅助发射极电压、双路比较器的输出信号波形如图6所示。其中，IGBT_X1支路的仿真波形为实线，IGBT_X2支路的仿真波形为虚线。

上述仿真波形展示了在双脉冲测试中2路并联支路主要器件的动、静态过程。由图6a和图6b可以观察到并联IGBT模块的2个开关周期过程中集电极电流和集射极电压的变化情况；图6c显示的是IGBT经历的4个通断动态过程中经稳压放大后的功率发射极-辅助发射极电压波形；图6d则显示了功率发射极-辅助发射极电压信号与阀值电压比较的结果。整体的动态响应过程与原设计相符，下面将分别以仿真0.5 ms开始的导通过程和0.75 ms开始的关断过程为例进行分析。

3.3.1 IGBT导通过程

IGBT并联模块均流检测电路导通过程仿真波形如图7所示。在导通动态过程中集射极电压下降，集电极电流上升，随后2个参数达到稳态，即进入静态导通阶段，如图7a、图7b所示。

IGBT_X1支路的传输阻抗值较小，即传输线路较短，因而IGBT_X1先导通，承受了尖峰电流，并较早进入导通静态阶段。经放大的功率发射极-辅助发射极电压主要在动态过程中会发生明显变化，如图7c所示，通过这一波形就可以反映出图7a和图7b 2个波形反映出的信息，即并联支路IGBT_X1和IGBT_X2的导通时序：导通动态过程就是图7c中波形的上升阶段，可明显观察出IGBT_X1支路上升较快，对应的信息就是IGBT_X1支路先导通，IGBT_X2支路后导通。另外，导通静态阶段就是图7c中波形的拖尾阶段，可明显观察出IGBT_X1支路拖尾下降较快，对应的信息就是IGBT_X1支路先进入导通静态阶段，IGBT_X2支路后进入导通静态阶段，这与之前总结的导通规律相符。图7d显示了图7c中电压信号与预设的阀值电压比较的结果，能够提供更加直观稳定的时序信息：比较不同支路信号上升沿、下降沿之间的时差，即得到对应阀值电压下并联IGBT模块的导通延时及先后顺序，比较不同支路信号电平的宽度，即得到对应阀值电压下并联IGBT模块的导通动态过程时长。

图7 导通过程IGBT并联模块均流检测单元仿真波形Fig.7 Simulation waveforms for current balancing detection unit of parallel connected high power IGBT modules when turn on

3.3.2 IGBT关断过程

以仿真0.75 ms开始的关断过程为例进行分析，IGBT并联模块均流检测电路关断过程仿真波形如图8所示。波形分析过程与导通过程的分析相似，图8a和图8b显示了IGBT_X2支路先关断，IGBT_X1支路后关断的规律；图8c中波形的拖尾部分和图8d中下降沿的时序也反映了相同的关断均流信息。比较不同支路信号下降沿之间的时差，即得到对应阀值电压下并联IGBT模块的关断延时及先后顺序，比较不同支路信号电平的宽度，即得到对应阀值电压下并联IGBT模块的关断动态过程时长。

图8 IGBT并联模块均流检测单元仿真波形Fig.8 Simulation waveform for current balancing detection unit of parallel connected high power IGBT modules

综上，通过对仿真结果分析，展示了可将并联IGBT模块的不均流模拟量信息转化为数字量信息的过程，验证了IGBT并联模块均流检测单元的理论可行性，该单元产生的包含着不均流信息的数字量将为后续的门极补偿信号的计算与产生提供十分有效可靠的参考。

4 结论

本文设计了一个具有较高可靠性、稳定性的并联IGBT模块集电极电流检测电路，该电路的输出信号可以有效地显示出IGBT并联模块的均流情况，因而可以作为产生门极补偿信号的参考信号。文中通过Simplorer仿真软件对检测电路的设计功能作出了仿真研究，仿真结果表明该检测单元的功能满足设计需求，能够实时并联IGBT均流情况，为后续的电路设计及实验研究提供了理论依据，具有较高的参考价值。

［1］马伟明.电力电子在舰船电力系统中的典型应用［J］.电工技术学报，2011，26（5）：1-7.

［2］张成，孙驰，马伟明，等.基于电路拓扑的IGBT并联均流方法［J］.高电压技术，2013，39（2）：505-512.

［3］Azar R，Udrea R，Wai Tang，et al.The Current Sharing Optimi⁃zation of Paralleled IGBTs in a Power Module Tile Using a Pspice Frequency Dependent Impedance Model［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23（1）：206-217.

［4］Bortis D，Member St.Active Gate Control for Current Balanc⁃ing of Parallel-connected IGBT Modules in Solid-state Modula⁃tors［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2008，36（5）：2632-2637.

［5］Romeo Letor.Static and Dynamic Behavior of Paralleled IGBT′s［J］.IEEE Transactions On Industry Applications，1992，28（2）：395-402.

［6］Parick Hofer，Nick Karrer，Christian Gerster.Paralleling Intel⁃ligent IGBT Power Modules with Active Gate-controlled Cur⁃rent Balancing［J］.IEEE Power Electronics Specialists Confer⁃ence，1996，2（2）：1312-1316.

［7］Patrick Hofer-Noser，Nicolas Karrer.Monitoring of Paralleled IGBT/Diode Modules［J］.IEEE Transactions on Power Elec⁃tronics，1999，14（3）：438-444.

［8］王雪松，赵争鸣，袁立强，等.应用于大容量变换器的IGBT并联技术［J］.电工技术学报，2012，27（10）：155-162.

［9］Lobsiger Y，Bortis D，Kolar J W.Decentralized Active Gate Control for Current Balancing of Parallel Connected IGBT Modules［C］//in Proc.of the 3th Energy Conversion Congress and Exposition，Phoenix，AZ，United States of America，2011.

［10］Chen J F，Lin J N，Ai T H.The Techniques of the Serial and Paralleled IGBTs［C］//Conference of the IEEE Industrial Eletronics Society，2002，2（2）：999-1004.

［11］Alvarez R，Bernet S.A New Delay Time Compensation Princi⁃ple for Parallel Connected IGBTs［C］//Enery Conversion Con⁃gress and Expostion，2011，47（10）：3000-3007.

［12］Rodrigo Alvarez，Ignacio Lizama，Steffen Bernet.Delay Time Compensation for Parallel Connected IGBTs：Implementation and Extension for n IGBTs［C］//European conference on Pow⁃er Electronics and Application，2014：1-10.

Research on Detection Method for Current Balancing of Parallel Connected High Power IGBT Modules

WANG Wei，LI Weichao，LIN Chengmei
（National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China）

The parallel connection of IGBT modules is an effective approach to increase the current ratings of high power converter.Nevertheless，the major issue of the parallel connection of IGBT modules is the imbalanced currents problem.In order to acquire the unbalance degree，traditional method needs to detect accurate value of collector current using a more complex circuit，which is sensitive and vulnerable.To overcome these drawbacks，a scheme was put forward that could detect the current sharing problem of paralleled IGBT devices in dynamic state effectively without additional current measurements.Finally，the proposed scheme is verified through computer simulation with Simplorer.

high power；parallel connected IGBT；current balancing detection；Simplorer simulation

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20170615

2016-05-30

修改稿日期：2016-10-14

国家自然科学基金项目（51477179）；国家自然科学基金项目（51507184）

王位（1991-），男，硕士研究生，Email：royal_sdw_wei@sina.com