1 引言
隨著市場(chǎng)對(duì)兆瓦級(jí)大功率變流器的需求與日俱增，igbt并聯(lián)方案目前已成為一種趨勢(shì)。 這主要源于igbt并聯(lián)能夠提供更高電流密度、均勻熱分布、靈活布局以及較高性價(jià)比(這取決于器件及類型)等優(yōu)勢(shì)。圖1所示為經(jīng)常會(huì)采用的兩種igbt并聯(lián)方式，即模塊之間和臂之間。通過將小功率igbt模塊(包括分立式igbt)、大功率igbt模塊進(jìn)行并聯(lián)組合，可獲得不同額定電流的等效模塊，且實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的連接方式也很靈活、多樣。以高壓變頻器中廣泛采用的h橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率單元為例，其并聯(lián)實(shí)現(xiàn)可以用不同電路結(jié)構(gòu)的igbt模塊，如半橋“ff”、單個(gè)“fz”、四單元“f4”和六單元“fs”。這將使客戶有很大自由度選擇性價(jià)比高的并聯(lián)解決方案。另外，并聯(lián)可降低模塊熱集中，使其獲得更加均勻的溫度梯度分布，較低的平均散熱器溫度，這有益于提高熱循環(huán)周次。因此，igbt并聯(lián)是大功率設(shè)計(jì)應(yīng)用的最佳解決方案之一。

圖1 臂或模塊并聯(lián)

然而，并聯(lián)igbt之間靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的差異會(huì)影響均流，使得有效目標(biāo)輸出電流不得不被降額。通常，降額系數(shù)是根據(jù)最差的并聯(lián)情況進(jìn)行假定，但這種假設(shè)在實(shí)際應(yīng)用中并不合理，且被過高估計(jì)，這也會(huì)增加客戶設(shè)計(jì)成本。從統(tǒng)計(jì)角度方面，差異性很大的模塊并聯(lián)概率是很小的，且igbt參數(shù)之間偏離可以忽略。從均流角度方面，并聯(lián)設(shè)計(jì)好壞對(duì)降額起關(guān)鍵性的作用，且遠(yuǎn)大于igbt自身參數(shù)差異性所引起的問題。因此，并聯(lián)應(yīng)重點(diǎn)考慮如何通過設(shè)計(jì)確保均流，而不是把重心放在模塊參數(shù)偏離所造成的影響。附表為說明哪些因素會(huì)引起均流的差異。并聯(lián)設(shè)計(jì)將集中在這些因素上面以優(yōu)化驅(qū)動(dòng)回路、功率換流回路、模塊布局以及冷卻條件等, 其目的是確保每個(gè)并聯(lián)支路盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)稱。本文將提供一些并聯(lián)設(shè)計(jì)方面的措施和建議，以幫助客戶成功完成并聯(lián)。

2 靜態(tài)性能
2.1 ptc 特性
在不同額定電壓(600v、1200v、1700v 和3300v)條件下，英飛凌npt和溝槽場(chǎng)終止igbt芯片的飽和電壓v_cesat都隨著結(jié)溫升高而增加，呈現(xiàn)正溫度系數(shù)特性。圖2為300a溝槽場(chǎng)終止芯片在15v柵極電壓條件下不同結(jié)溫時(shí)的飽和電壓特性。這表明并聯(lián)igbt的靜態(tài)均流可動(dòng)態(tài)地自我調(diào)節(jié)平衡。如果較高電流通過一個(gè)并聯(lián)支路或不均勻冷卻導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)溫偏高，其v_cesat就會(huì)相應(yīng)升高，并將電流轉(zhuǎn)移至其它飽和電壓較低的支路，以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。因此，ptc特性有利于實(shí)現(xiàn)igbt并聯(lián)的均流。

圖2 t_vj為25℃和125℃時(shí)的v_cesat

2.2 飽和電壓v_cesat分布
圖3為在相同的柵極電壓和結(jié)溫條件下不同飽和電壓的igbt輸出特性曲線，其可以用一次函數(shù)來(lái)描述，其等效斜率電阻會(huì)對(duì)均流有影響。像圖3所示，由于igbt1的等值電阻較小，對(duì)應(yīng)并聯(lián)支路電流會(huì)較大。不過，英飛凌npt和溝槽場(chǎng)終止芯片飽和電壓在整個(gè)分布范圍內(nèi)呈現(xiàn)正態(tài)特性，這也源于出色的生產(chǎn)過程和晶圓處理能力。因此，從統(tǒng)計(jì)角度，很少會(huì)出現(xiàn)最差并聯(lián)情況。為了盡可能減少這種igbt自身差異性所帶的均流問題，建議并聯(lián)的igbt應(yīng)采用相同芯片技術(shù)、模塊型號(hào)和生產(chǎn)日期。如果可能，最好用同一包裝內(nèi)的igbt模塊進(jìn)行并聯(lián)。

圖3 輸出特性

2.3 功率換流回路電阻r_s
圖4為直流回路母線和交流輸出的不對(duì)稱性并聯(lián)連接(如虛線所示)。這種差別會(huì)引起并聯(lián)換流回路不同的等值電阻，像圖中所示支路2距離直流母線并聯(lián)連接點(diǎn)或輸出點(diǎn)較近，會(huì)有較小的等值電阻，進(jìn)而會(huì)流過較大的靜態(tài)電流。而且，靜態(tài)電流i_c1與i_c2的這種差異遠(yuǎn)大于飽和電壓分布不同所引起的差異。因此，直流回路以及輸出回路母線布局、電解電容和igbt模塊的布局需要經(jīng)過優(yōu)化，使每個(gè)并聯(lián)支路盡量對(duì)稱和一致。有時(shí)，盡管并聯(lián)igbt的母線為同一根銅排，具有相同的電勢(shì)，然而與母線連接點(diǎn)的不同也將會(huì)導(dǎo)致電流不平衡。

圖4 非對(duì)稱并聯(lián)與不平衡電流

3 動(dòng)態(tài)性能
3.1 柵極電阻
(1) 閾值電壓v_geth
并聯(lián)igbt驅(qū)動(dòng)所用分開柵極電阻相比公用連接方式而言，可以改善動(dòng)態(tài)過程均流。這也可以降低由于閾值電壓v_geth之間偏差引起的動(dòng)態(tài)不平衡。圖5為測(cè)試所用的示意圖，額外串聯(lián)的二極管用于有意增加并聯(lián)igbt之間的v_geth差異。測(cè)試在相同的、對(duì)稱的并聯(lián)功率回路和驅(qū)動(dòng)器條件下進(jìn)行，圖6為測(cè)試的對(duì)比波形，其中①為柵極電壓，③和②為并聯(lián)支路的電流。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了分開柵極電阻在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的重要性。此外，對(duì)于并聯(lián)igbt而言，柵極電阻r_g和柵極與發(fā)射極之間電容c_ge(如果需要)的容差應(yīng)當(dāng)盡可能低。

圖5 測(cè)量示意圖

圖6 波形對(duì)比

(2) 雜散電感l(wèi)_δ
建議把柵極電阻分成2/3部分作為r_g，1/3部分作為re。輔助re能夠降低由于功率換流回路雜散電感不對(duì)稱引起的動(dòng)態(tài)電流不平衡。圖7為由輔助r_e形成的一個(gè)負(fù)反饋機(jī)制開通過程，其中一個(gè)igbt開關(guān)速度快，另一個(gè)則相對(duì)較慢，近而在雜散電感上會(huì)產(chǎn)生v_e1和v_e2電壓，二者壓差生成一個(gè)用紅色標(biāo)出的環(huán)路電流i。這個(gè)電流會(huì)在輔助re上產(chǎn)生電壓使開通較慢的igbt柵極電壓升高，加速開通過程。相反，開通較快的igbt降低柵極電壓，減緩開通速度。圖8為在不對(duì)稱功率回路、相同驅(qū)動(dòng)回路的測(cè)試條件下，有r_e和沒有r_e時(shí)開通過程動(dòng)態(tài)均流的對(duì)比結(jié)果。因此，對(duì)柵極電阻進(jìn)行分開設(shè)計(jì)有助于不對(duì)稱回路的動(dòng)態(tài)均流。

圖7 帶輔助r_e的柵極驅(qū)動(dòng)器原理

圖8 波形對(duì)比

3.2 驅(qū)動(dòng)回路
(1) 設(shè)計(jì)方案
柵極驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)對(duì)于并聯(lián)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流起到至關(guān)重要的作用。如圖9所示為通常較多采用簡(jiǎn)單的、性價(jià)比高的單個(gè)驅(qū)動(dòng)器方案，容易實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)態(tài)均流。有時(shí)直接在每個(gè)并聯(lián)的模塊上安裝具有峰值電流放大功能的有源適配器板，這樣盡可能地靠近igbt的輔助端子，達(dá)到降低驅(qū)動(dòng)回路寄生電感以及完美對(duì)稱性的目的。這種方案降低了驅(qū)動(dòng)回路之間的傳輸延時(shí)差，容易使并聯(lián)igbt之間的柵極電壓同步，實(shí)現(xiàn)最佳的動(dòng)態(tài)均流。而且有源適配板的采用可以降低驅(qū)動(dòng)核的電流密度，加速并聯(lián)igbt的開通過程，也容易實(shí)現(xiàn)用小電流、低成本的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。

圖9 單驅(qū)動(dòng)器

圖10為另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器方案，每個(gè)igbt分別由各自的驅(qū)動(dòng)核和驅(qū)動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。這個(gè)相對(duì)于單驅(qū)動(dòng)器而言，略顯復(fù)雜、成本也高。可采用低峰值電流的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器，易實(shí)現(xiàn)短距離連接。不過，不同驅(qū)動(dòng)器之間的傳播延時(shí)不匹配是影響動(dòng)態(tài)均流的主要因素，也比較難以控制。

圖10 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器

(2) 連接電纜
圖11為驅(qū)動(dòng)回路寄生電感的分布情況。有時(shí)，由于安裝空間和位置的限制，必須將連接電纜纏繞起來(lái)或走很遠(yuǎn)距離，這都會(huì)導(dǎo)致較大的回路寄生電感，引起igbt開關(guān)過程變慢，也導(dǎo)制開關(guān)過程損耗增加。在一些特定開關(guān)條件下igbt模塊的寄生電容和等效寄生電感可能造成柵極嚴(yán)重振蕩問題，近而可能導(dǎo)致柵極過電壓。

圖11 驅(qū)動(dòng)環(huán)路寄生電感分布

在通常情況下，電纜長(zhǎng)度或柵極驅(qū)動(dòng)器環(huán)路pcb走線的差別可能會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)igbt動(dòng)態(tài)電流出現(xiàn)不平衡。圖12為在不同電纜長(zhǎng)度條件下(③：10厘米；②：25厘米)的開關(guān)過程，其中連接電纜較短的igbt開關(guān)速度較快，引起瞬間開通電流偏大，相反電纜很長(zhǎng)的igbt關(guān)斷過程也較慢，引起瞬間關(guān)斷電流偏大。因此，關(guān)聯(lián)igbt驅(qū)動(dòng)所用的連接電纜一定要用相同長(zhǎng)度。

圖12 不同長(zhǎng)度電纜

3.3 功率換流回路雜散電感l(wèi)_δ
并聯(lián)igbt之間功率換流回路的雜散電感差異會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)均流產(chǎn)生重大影響，尤其對(duì)于大功率模塊而言。對(duì)稱性并聯(lián)連接是決定動(dòng)態(tài)均流的關(guān)鍵性問題，這會(huì)涉及igbt封裝、器件布局和系統(tǒng)構(gòu)架等相關(guān)因素。如果一個(gè)支路的雜散電感高于另一個(gè)支路的雜散電感(如圖4所示)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)如圖13所示的典型不平衡開關(guān)電流波形。因此，必須嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)并聯(lián)功率換流回路的對(duì)稱性和一致性，確保盡可能相同的雜散電感。通常，一個(gè)有效辦法是采用疊層母排結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化模塊布局，有時(shí)在母線上故意增加孔或銅排設(shè)計(jì)成“之”字型等措施，以獲取相同的功率換流路徑。

圖13 不平衡電流

4 igbt封裝
在并聯(lián)設(shè)計(jì)過程中，igbt模塊的封裝形式和功率端子的位置也是至關(guān)重要的考慮因素。這可能會(huì)影響驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)和選擇、疊層母排的實(shí)現(xiàn)等方面。英飛凌提供了各種igbt模塊的封裝平臺(tái)，如適用于并聯(lián)的econodualtm、econopacktm+ 和 primepacktm等。圖14是模塊并聯(lián)的示意圖，利用這些參考方法容易實(shí)現(xiàn)并聯(lián)母排的對(duì)稱性，降低回路雜散電感。此外，方便將有源適配板放置于模塊表面，獲得很好的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。

圖14 最佳并聯(lián)和l布局

5 均衡措施
5.1 驅(qū)動(dòng)回路
合理的驅(qū)動(dòng)回路布局和設(shè)計(jì)可以獲得出更好的并聯(lián)性能。建議以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：
(1) 使驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O與igbt之間的驅(qū)動(dòng)回路具有最小的環(huán)路面積，以期較低的寄生電感。
(2) 驅(qū)動(dòng)輸出與igbt柵極之間的雙絞線或扁平連接電纜應(yīng)盡可能短地實(shí)現(xiàn)對(duì)稱連接。
(3) 避開將驅(qū)動(dòng)回路pcb引線或連接電纜的布局或安裝處于由于igbt開關(guān)所產(chǎn)生電位變化的位置上。此外，如有必要，可加裝屏蔽層。
(4)選擇具有良好的抗共模干擾能力的驅(qū)動(dòng)器，也即有較高dv/dt。
通常情況下，建議在模塊上直接安裝驅(qū)動(dòng)適配板以及采用等長(zhǎng)、盡可能短的雙絞線連接驅(qū)動(dòng)和模塊。圖15為primepacktm 有源適配器板及其安裝的一個(gè)例子。另外，應(yīng)當(dāng)盡可能減少驅(qū)動(dòng)線或電纜與主功率回路平行，盡可能地遠(yuǎn)離功率回路，降低互感，避免驅(qū)動(dòng)回路被強(qiáng)磁場(chǎng)干擾。

圖15 適配板ma300

5.2 散熱
并聯(lián)igbt之間的冷卻差異會(huì)引起工作結(jié)溫不同，進(jìn)而影響igbt的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，使電流出現(xiàn)不平衡。因此，建議并聯(lián)igbt模塊要安裝在相同的散熱器上，盡可能地靠近以降低冷卻的差異，以獲得最佳的熱耦合，達(dá)到優(yōu)的熱平衡狀態(tài)。另外，并聯(lián)igbt的散熱膏厚度應(yīng)盡可能地均勻和一致。
5.3 輸出電抗器
如圖16所示為在每個(gè)并聯(lián)支路外加輸出電抗器的連接方式，并聯(lián)回路之間的雜散電感不同主要取決于輸出電抗器之間的差異，容易被實(shí)現(xiàn)和控制。這將會(huì)更好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流過程。不過，這會(huì)增加系統(tǒng)成本和功耗，也較復(fù)雜。

圖16 輸出電抗器

5.4 輸出扼流圈
圖17為每個(gè)并聯(lián)支路相互交叉串入扼流圈的連接方式，這樣可以確保靜態(tài)電流之間的均衡。如果有電流不均衡出現(xiàn)，扼流圈會(huì)產(chǎn)生電抗，抑制電流差異性。同時(shí)，降低共模環(huán)流，減少并聯(lián)支路內(nèi)部磁場(chǎng)的影響。這種連接方式使各個(gè)支路相互牽制、相互平衡，達(dá)到較好的靜態(tài)均流。

圖17 扼流圈

6 結(jié)束語(yǔ)
本文分析了影響igbt并聯(lián)的相關(guān)因素，并闡述一些有助于設(shè)計(jì)并聯(lián)的提議，同時(shí)，建立相關(guān)的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本文所涉及的相關(guān)波形也可以作為客戶測(cè)試、評(píng)價(jià)并聯(lián)系統(tǒng)的方向性參考。最后，對(duì)并聯(lián)設(shè)計(jì)提出一些實(shí)用的技巧和方法，通過采用適當(dāng)?shù)拇胧┖头桨缚勺畲蟪潭鹊亟档突虮苊獠⒙?lián)降額。

作者簡(jiǎn)介
趙振波 男 高級(jí)應(yīng)用工程師， 畢業(yè)于華北電力大學(xué), 現(xiàn)從事英飛凌igbt產(chǎn)品在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的技術(shù)支持和市場(chǎng)推廣工作。

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