電源模塊參數(shù)對并聯(lián)開關(guān)特性影響的方法

IGBT模塊并聯(lián)的挑戰(zhàn)是在考慮不同模塊參數(shù)的情況下了解功率轉(zhuǎn)換器的必要降額。這種理解對于在熱和安全操作限制內(nèi)正確并行運(yùn)行模塊非常重要。本文介紹了如何分析模塊參數(shù)對功率模塊并聯(lián)運(yùn)行的均流和開關(guān)能量不平衡的影響的方法。

模塊工作期間的電流不平衡可能是由并聯(lián)功率模塊的特性（例如正向電壓不同）和電源轉(zhuǎn)換器本身的設(shè)計(jì)引起的。電源模塊的接口，如直流側(cè)和交流側(cè)的電源連接、柵極驅(qū)動器的設(shè)計(jì)、柵極驅(qū)動器與電源模塊的連接等，對并聯(lián)模塊的靜態(tài)和動態(tài)電流不平衡都有影響。

影響并聯(lián)電源模塊性能的各種因素的概述如圖1所示。

在下圖中，重點(diǎn)是分析IGBT和二極管特性與并聯(lián)電源模塊中的電流不平衡有關(guān)。對于以下分析，考慮了均勻的冷卻條件。

圖1.影響并聯(lián)電源模塊性能的因素。

評估設(shè)置和測試示例

每個軌道車輛制造商都有自己獨(dú)特的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，因此如果沒有標(biāo)準(zhǔn)化的測試設(shè)置，半導(dǎo)體制造商很難進(jìn)行具有代表性的功率模塊分析。地平線2020項(xiàng)目“Shift2Rail”［2］中討論了這一困難。項(xiàng)目成員同意在半導(dǎo)體供應(yīng)商和功率轉(zhuǎn)換器制造商之間定義一個標(biāo)準(zhǔn)化接口，以討論功率模塊的降額問題。參考設(shè)置如圖2所示。參考設(shè)置的目標(biāo)之一是盡可能減少外部組件對并聯(lián)電源模塊電流不平衡的影響。在直流側(cè)，每個電源模塊都有一個單獨(dú)的直流母線電容器;交流電源連接通過寬母線進(jìn)行，模塊下方有一個中央負(fù)載連接。僅將一個中央柵極驅(qū)動器與低電感接口板結(jié)合使用，以控制并聯(lián)模塊。

圖2.用于并行評估的參考測試設(shè)置

選擇參考測試設(shè)置來研究模塊并聯(lián)。采用LV100封裝的CM450DA-66X模塊是具有代表性的X系列電源模塊，被選為被測器件進(jìn)行評估和分析。采用硅芯片組和鋁基板的 X 系列產(chǎn)品陣容如表 1 所示。這些功率模塊采用最新的 X 系列第 7 代尖端芯片組，帶有 CSTBT（III） 溝槽 IGBT 和 RFC 二極管。IGBT和二極管芯片在寬電流范圍內(nèi)均具有正向電壓溫度系數(shù)。如果溫度不均勻分布在散熱器上，則此功能有利于在運(yùn)行期間并聯(lián)連接的模塊之間進(jìn)行熱平衡。集成在模塊中的NTC溫度傳感器可以監(jiān)控每個并聯(lián)模塊的外殼溫度。此外，X系列的雙功率模塊使用帶有集成AlN陶瓷絕緣的新型創(chuàng)新鋁基板，即所謂的MCB（金屬鑄造直接粘合）基板。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，新的基板結(jié)構(gòu)具有明顯更小的結(jié)殼熱阻，這允許輸出功率增加或降低工作結(jié)溫。此外，三菱電機(jī)的 X 系列功率模塊還為要求苛刻的鐵路應(yīng)用提供了功能，例如外殼材料的高 CTI 值、局部放電測量、高質(zhì)量控制和可追溯性。

表 1.LV/HV100 X 系列產(chǎn)品陣容。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 ［PDF］

功率模塊參數(shù)與并聯(lián)開關(guān)波形的相關(guān)性

為了研究不同IGBT功率模塊參數(shù)對均流的影響，測量了十對不同功率模塊的并聯(lián)。然后，執(zhí)行線性回歸分析，以關(guān)聯(lián)開關(guān)波形的特性和電源模塊參數(shù)。

被測器件是采用 LV100 封裝的 3.3 kV/450 A （CM450DA-66X） 電源模塊。這些器件在其電氣參數(shù)中顯示出自然分布。因此，集電極-發(fā)射極飽和電壓范圍為2.61 V至2.81 V，柵極-發(fā)射極閾值電壓范圍為6.56 V至7.70 V，二極管正向電壓范圍為2.20 V至2.45 V。分析了這十對在導(dǎo)通、關(guān)斷和反向恢復(fù)期間的開關(guān)特性。

關(guān)斷開關(guān)分析

圖3顯示了兩個示例性關(guān)斷測量結(jié)果。當(dāng)IGBT器件參數(shù)相似時，可以實(shí)現(xiàn)良好的均流。相反，在功率模塊參數(shù)不同的情況下，負(fù)載電流在功率模塊之間分配不均。

通過對10對的線性回歸分析，確定了IGBT功率模塊參數(shù)與開關(guān)特性之間的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)電流ΔI的差異C僅與集電極-發(fā)射極電壓的差異相關(guān)。其他功率模塊參數(shù)微不足道（決定系數(shù)《95%）。線性回歸分析導(dǎo)致當(dāng)前不平衡的以下關(guān)系。詳情請參考［3］。

［frac{Delta I_{C}}{IC_{avg}}approx-0.56V^{-1}cdotDelta V_{CEsat}］ （1）

導(dǎo)通開關(guān)分析

圖4顯示了兩個電源模塊并聯(lián)時的導(dǎo)通開關(guān)波形。如果功率模塊參數(shù)相似，則兩個功率模塊之間將平均分配電流。但是，當(dāng)功率模塊不同時，預(yù)計(jì)功率模塊之間的均流不等。

研究發(fā)現(xiàn)，均流與柵極-發(fā)射極閾值電壓差ΔV相關(guān)基（千）以及互補(bǔ)續(xù)流二極管 ΔV 的正向電壓差電子商務(wù)。線性回歸分析導(dǎo)致當(dāng)前不平衡的以下關(guān)系。

（a） 類似的設(shè)備參數(shù)

（b） 不同的設(shè)備參數(shù)

圖3.示例關(guān)斷波形（綠色：V通用 電氣10V/格，藍(lán)色：IC1150A/格，黃色：IC2150A/格，紅色：V行政長官500V/格，2.0微秒/格）。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 ［PDF］

（a） 類似的設(shè)備參數(shù)

（b） 不同的設(shè)備參數(shù)

圖4.示例導(dǎo)通波形（綠色：V通用 電氣10V/格，藍(lán)色：IC1300A/格，黃色：IC2300A/格，紅色：V行政長官500V/格，2.0微秒/格）。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 ［PDF］

（a） 類似的設(shè)備參數(shù)

（b） 不同的設(shè)備參數(shù)

圖5.示例反向恢復(fù)波形（藍(lán)色：IC1300A/格，黃色：IC2300A/格，紅色：V行政長官500V/格，2.0微秒/格）。

［frac{Delta I_{C}}{IC_{avg}}approx-0.18V^{-1}cdotDelta V_{EC}-0.18V^{-1}cdotDelta V_{GE（th）}］ （2）

二極管反向恢復(fù)開關(guān)

二極管反向恢復(fù)的示例性開關(guān)結(jié)果如圖5所示。同樣，如果電源模塊參數(shù)相似，則兩個功率模塊之間的電流平均分配。如果電源模塊參數(shù)不同，則靜態(tài)電流和峰值反向恢復(fù)電流的差異變得明顯。

線性回歸分析表明，靜態(tài)均流僅與二極管正向電壓ΔVEC的差異相關(guān)。發(fā)現(xiàn)其他電源模塊參數(shù)無關(guān)緊要。找到當(dāng)前不平衡的以下關(guān)系。

［frac{Delta I_{E}}{IE_{avg}}approx-0.78V^{-1}cdotDelta_{EC}］ （3）

降額計(jì)算高達(dá)并聯(lián)六倍

根據(jù)電流和能量的降額系數(shù)，可以定義兩個以上模塊并聯(lián)時所需的降額。為此，假設(shè)其中一個并聯(lián)模塊具有最小特性（導(dǎo)致最大開關(guān)能量或電流），而所有其他模塊具有最大特性（導(dǎo)致最小開關(guān)能量或電流）。通過使用以下公式，可以計(jì)算出兩個以上并聯(lián)模塊的集電極電流的降額比。

參數(shù) n 是并聯(lián)模塊的數(shù)量。參數(shù) x 是通過測量兩個并聯(lián)模塊（例如 （?IC/ICavg 根據(jù) （1） 和 （2） 或 （?IE/IEavg 根據(jù) （3）））確定的不平衡比。因此，可以定義對分組參數(shù)的降額依賴關(guān)系，如圖 6 所示。該圖已經(jīng)表明，由回歸分析確定的置信區(qū)間對于多個功率模塊的降額比也非常有用。

［frac{I_{C，max}}{I_{C，avg}} - 1 = frac{I_{C，max}}{left（ （eta -1） I_{C，min} + I_{C，max}right）/eta} - 1 frac{eta cdot I_{C，max}}{left（ （eta -1）left（ frac{1-x}{1+x} right） I_{C，max} + I_{C，max}right）} - 1frac{eta}{left（ （eta -1）left（ frac{1-x}{1+x} right） + 1 right）} - 1］

圖6. 集電極電流降額比與正向電壓差的關(guān)系。

圖7.6次并聯(lián)的開關(guān)波形（條件：V抄送= 1800V， Ic= 2700A（每個器件 450A），Tj= 150°C， V通用 電氣= +15V / -9V， RG（開）= 2.7Ω， RG（關(guān)閉）= 62Ω， C通用 電氣= 33nF）。

結(jié)論

本文介紹了一種研究電源模塊參數(shù)對并聯(lián)開關(guān)特性影響的方法。對于每種開關(guān)類型，IGBT關(guān)斷，導(dǎo)通和二極管反向恢復(fù)，研究了不同器件參數(shù)的影響。僅考慮重要參數(shù)，提供模型來計(jì)算任意器件參數(shù)上開關(guān)特性的差異。顯示了如何將結(jié)果傳輸?shù)骄哂袃蓚€以上設(shè)備的并行連接。最后，確認(rèn)并聯(lián)連接中的六個器件之間的均質(zhì)均流。開關(guān)波形證明，通過精心設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器布局和配對良好的LV100模塊，可以實(shí)現(xiàn)理想的均流。
審核編輯：陳陳