IGBT并联均流分析

江宏玲，周 成

（1.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥230088；2.安徽国际商务职业学院，安徽 合肥231131）

IGBT并联均流分析

江宏玲1，周 成2

（1.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥230088；2.安徽国际商务职业学院，安徽 合肥231131）

电力功率器件IGBT的并联应用是提高功率变换器电流处理能力的重要手段，IGBT并联支路均流与否是直接影响其实际工程应用关键性问题。从IGBT模块自身特性、驱动电路以及外围电路三个方面对均流特性的影响进行分析研究，给出了在实际并联应用中合理处理各影响因素后的实验波形，波形结果表明并联支路均流效果良好。

IGBT并联均流；饱和压降；开启门槛电压

在实际功率产品如变流器与逆变器等功率单元中，如何在避免功率器件失效的同时满足电流容量的要求并且有效降低生产成本，是电力功率器件应用的首要问题。一般对于功率等级较大的应用场合，单个功率器件的电压与电流处理能力无法满足实际要求的性能指标，此时使用多个器件的串并联使用能有效解决该问题。将功率模块串并联使用时为了提高功率单管额定电流的降额利用率，确保在器件的各种工作状态切换下都能够使每个功率器件平均承担全部电流而且还要使散热均匀分布从而使各功率管的使用寿命得到保障，因此首要的问题是如何确保功率器件并联支路的均流性[1-4]。功率器件Insulated Gate Bipolar Tran sistor（IGBT）虽然具有一定的动静态自均流能力适合并联使用，但是影响其并联均流效果的因素也有很多，主要有IGBT模块自身特性、门极驱动电路以及外围电路三个方面。本文从这三个方面对并联支路均流效果的影响进行研究分析，给出合理处理这些因素后的实际并联应用的均流实验波形。

1 IGBT自身特性对均流的影响

通常功率器件的应用选择是根据功率等级选择相应等级的额定电压及电流的功率模块，而不会采用若干的额定电压及电流较小的IGBT模块并联的方案来解决电流容量不足的问题，但是在实际产品的开发中，从产品的经济成本和产品的市场角度来考虑，采用小电流IGBT模块并联使用是实际功率变换器设计的有效解决方法之一[5-6]。IGBT并联必然会出现的关键问题是由于并联器件的差异性等因素所引起的各功率器件承担电流的差异性即器件的均流问题。在使用IGBT并联时，各并联IGBT单管本身特性无法做到完全一致，IGBT的自然饱和压降特性的差异会在IGBT的开通状态下造成各单管IGBT所承受电流的不均衡。图1所示为两并联IGBT均流以及T1和T2两管的输出特性，在并联使用下有：

图1 两并联IGBT均流及各单管输出特性

图1以两并联IGBT为例，T1和T2单管的本身特性不可能完全一致，由图1所示可以看出r2＞r1在假设V1＝V2条件下有IC1＝IC2×（r2/r1），容易得到VCE(sat)较低的T1管在并联应用时承受了更大电流。此外，IGBT的自然饱和压降VCE(sat)具有正温度特性即会随着温度增加而增大所以IGBT对均流有一定的自我调节能力[7-8]。图2所示为FF600R06ME3的自然饱和压降VCE(sat)在不同结温下的输出特性。

图2 FF600R06ME3在不同结温下的VCE(sat)

由于IGBT的自然饱和压降VCE(sat)具有正温度特性，所以，当T1与T2并联使用时有：开始时由于T1管的VCE(sat)较小所以T1管承担电流大于T2管承担的电流，因此将导致T1的稳态损耗大于T2管的稳态损耗，结果将导致T1管的结温上升速度大于T2，从而使T1的VCE(sat)增大逼近T2管的起到一定自动调节均流的效果。因此，IGBT本身特性即自然饱和压降的差异性及其正温度特性直接影响IGBT并联使用的均流效果，为了在并联IGBT应用时尽量减小各单管的VCE(sat)的差异从而取得较好的均流效果，应尽量优先选择同一型号和同一批次IGBT模块来设计功率单元。

2 驱动电路对均流的影响

驱动电路的设计对于功率IGBT来说至关重要，一般IGBT的导通电压即门槛电压VCE(sat)都有一定差异。对于并联应用中的IGBT器件来说门槛电压VCE(sat)较低的先导通并且由于米勒平台的箝位效应使导通电压被箝位而门槛电压VCE(sat)较高的IGBT滞后导通，图1中的T1先与T2导通，先导通的T1承受所有电流造成并联IGBT的不均流。

图3所示为对并联应用时驱动电路采用的方法，可较好解决驱动电路造成的并联应用不均流现象。通常采用门极电阻隔离并把栅极电阻分成Rg和Re，这样设计后可以分别通过Rg1和Rg2给T1和T2的门极电压进行独立充电，从而使各自达到门槛电压的时间基本一致。另外如图3中所示，当T1先于T2开通时会在回路杂散电感上产生压差从而产生一个环路电流I，此电流I在Re1和Re2上产生电压VRe1和VRe2.VRe1减小了T1的门级电压从而减缓T1的开通速度而VRe2则增加了T2的门级电压加快了T2开通速度，实际上Re实现了负反馈的开通过程从而使得并联应用的开通过程实现动态均流。另外，驱动电路的输出阻抗和IGBT门级连线阻抗的差异也会对器件的开通与关断产生影响从而导致并联应用不均流现象。因此，在并联应用时各模块一般使用同一驱动级，并且为了减小驱动电感耦合的引入要避免栅极连线与主电路电流平行，同时要做好各并联模块的有效一致散热。

图3 驱动电路对并联均流的影响

3 外围主电路连接对均流的影响

在IGBT的并联应用中，外围主电路的连接设计对并联均流的影响主要表现在，直流母线的连接差异和负载连接差异。图4所示为并联应用时外围主电路连接对均流的影响，一般功率单元的直流母线连接通常采用层叠母线结构，在设计时需要尽量做到对称设计以减小对均流的影响。主电路负载侧连接接头位置如果处理不当也会造成负载连接不对称，将导致负载电路电感不对称使动态电流尖峰产生较大差异。图4（a）为直流母排不对称连接，在设计时应避免并改成图4（b）所示对称连接。图4（c）为负载不对称连接，在设计时应避免并改成图4（d）所示负载对称连接以减小并联IGBT配线电阻和电感不均导致支路电流不均流和VCE的关断电压尖峰。

图4 并联IGBT外围电路连接示意图

图5 中所示为IGBT两并联应用时对上文中所述的影响并联IGBT均流效果的因素进行了较好处理的实验波形，波形结果表明并联支路的均流效果良好。

图5 IGBT两并联电流均流波形

4 结论

实际应用中影响IGBT并联支路均流的因素除了上述所述的3个主要因素之外还有很多。为了取得良好的均流效果从而提高产品性能和使用寿命，在IGBT并联应用时应注意：（1）优先选用同型号同批次的IGBT模块；（2）合理设计驱动电路并且注意布局布线的对称性；（3）选用叠层母排并务必确保对称性连接，同时注意电容布局和尽量减少回路杂感。

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IGBT Parallel Current Sharing Analysis

JIANG Hong-ling1，ZHOU Cheng2
（1．Anhui Water Resource Research Institute，Hefei Anhui 230088，China；2．Anhui Institute of International Business，Hefei Anhui 231131，China）

The parallel application of power device IGBT is an important means to improve the current handling capability of the power converter，the current sharing of the IGBT shunt is not only the key problem of its practical application.In this paper，the characteristics of the IGBT module，the driving circuit and the peripheral circuit of the three aspects of the impact of the current sharing characteristics of the analysis，presents the experimental waveforms after the reasonable treatment of various influencing factors in the parallel application，the waveforms show current sharing effect is good.

IGBT parallel current sharing；VCE（sat）；VGE（th）

TK63

A

1672-545X（2017）10-0102-03

2017-07-17

安徽省自然科学基金重点项目（KJ2017A861）；国家自然科学基金资助项目（51576047）

江宏玲（1987-），女，安徽合肥人，硕士，工程师，主要研究方向：电力电子技术；周 成（1983-），男，安徽合肥人，硕士，助教，主要研究方向：电力电子技术。