IGBT模块并联静态电流不均衡因素分析

2019-09-16 14:18:30 Westpac Electronics

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)1985年进入实际应用以来,IGBT器件技术得到了快速发展,经过多代研发,IGBT的性能得到不断提高,实现了较低的IGBT通态饱和压降,很大程度上改善了IGBT关断拖尾现象,减小了关断损耗,IGBT的整体特性不断提升。目前,IGBT10kHz100kHz的中压、中大功率等级领域得到了广泛的应用,IGBT己经成为半导体功率器件的主流选择。

随着高压大功率电力电子技术的发展,电力电子装置对IGBT的要求趋向于高压化、大电流化。然而,受到目前半导体功率器件组成材料和制造工艺的制约,单个IGBT模块一般不能满足使用需求。这种情况下,设计人员一般采用以下两种方案来提高产品功率等级:一种方案是直接选用更大功率等级的器件,但是选用较大功率等级的器件使得成本大幅度提升;另一种兼顾成本与功率需求的方案是采用多个功率等级较小、驱动功率低的IGBT模块并联使用来满足大功率等级的要求。多个IGBT并联使用不但可以满足系统大功率需求,而且还可以形成冗余设计,提高系统的可靠性。

IGBT功率模块并联运行可以提高系统对负载电流的承受能力,但各个IGBT模块本身参数的分散性和驱动电路参数的不对称性,使IGBT并联各支路输出的电流不可能完全一致,各支路电流的不一致带来了静态、动态电流不均衡问题,如图1所示。电流不均衡会导致两方面的问题:一是有的模块流过的电流过大,长期运行会使模块发热严重,导致芯片温度过高而损坏,系统的稳定性降低,给安全运行带来严重的隐患;二是有些模块电流偏小,容量不能充分利用,不利于系统功率密度的提高。

因此,研究分析IGBT功率摸块并联电流不均衡的影响因素,对提出改善方案,保证并联IGBT模块安全使用具有重要意义。

2 IGBT静态电流不均衡影响因素

影响并联IGBT静态电流不均衡的因素主要有以下几个方面:IGBT功率模块的饱和压降、栅极驱动电压、并联功率回路的阻抗特性。

本篇采用saber软件对影响因素进行仿真,仿真采用基于IGBT模块并联的双脉冲实验电路。将两个特性相似的IGBT并联,通过控制模块V1参数,改变模块V2参数,仿真得出不同的参数下并联IGBT模块电流差异。软件搭建的仿真电路图如图所示。

图片关键词

2.1饱和压降的影响

IGBT并联电路稳态条件下,并联模块的输出特性不同会导致电流的不均衡。模块的通态电阻是影响并联电路不均衡的主要因素。通态电阻小的模块饱和压降低,可以流过更多的电流,所以饱和压降越低,支路电流越大。

仿真实验中将模块V1V2并联进行静态均流实验,保持驱动电路、主功率回路一致,其中VDC=350VVGE=15V,设置V1模块的饱和压降VCE1=2.32VV2模块的饱和压降VCE2分别为不同电压,其仿真结果如图所示。

图片关键词

可得出结论,饱和压降对于IGBT模块的静态均流存在着一定影响,饱和压降越高,IGBT模块支路电流越小。

2.2 栅极驱动电压的影响

当模块流过集电极电流IC时会产生导通压降VCEVCE不仅与集电极电流IC和饱和导通压降VCE(sat)有关系,还与门极驱动电压VGE有直接的关系,查看IGBT数据手册可以看出,不同的门极驱动电压VGE对应不同的输出特性曲线。IGBT模块并联工作时,两模块具有相同的VCE,在不同的驱动电压VGE会导致电流IC不同,驱动电压VGE越高,模块流过的电流越大。

实验中将模块V1V2并联进行静态均流实验,保持主功率回路一致,设置V1模块的驱动电压VGE1=15VV2模块的驱动电压VGE2分别为不同电压,其仿真结果如图所示。

图片关键词

仿真可得出结论,栅极电压对于IGBT模块的静态均流存在着一定影响,且栅极电压越低,IGBT模块支路电流越小。

2.3 功率回路阻抗特性的影响

在由IGBT组成的系统中,高压器件一般采用铜排连接,若并联IGBT各支路的铜排设计不对称则会造成各支路阻抗差异。由于并联支路间电压相同,阻抗差异导致支路电流出现不均衡,阻抗小的支路流过的电流大。

仿真实验中将模块V1V2并联进行静态均流实验,保持驱动回路一致,驱动电压VGE1=15VVDC=350VV2功率支路串入一支电阻,设置电阻为不同的值,其仿真结果如图所示。

图片关键词

由仿真可得出结论,功率支路电阻对于IGBT模块的静态均流存在着较大影响,且支路电阻越大,IGBT模块支路电流越小。


0755-88267606 00852-2763 5991 021-5489 1460