IGBT并聯(lián)應(yīng)用均流控制技術(shù)綜述

本文來源于《電源學(xué)報(bào)》2024年第1期

絕緣柵雙極型晶體管IGBT(insulated-gate bipolar transistor)在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛，在某些單個(gè)器件性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的工作場(chǎng)合，IGBT的并聯(lián)使用成為一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。多模塊IGBT并聯(lián)應(yīng)用可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，增大變流器輸出功率，提高裝置功率密度。IGBT并聯(lián)應(yīng)用過程中，器件本體的動(dòng)、靜態(tài)特性及結(jié)溫的差異，驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)及功率回路不對(duì)稱性，伴隨IGBT長期使用出現(xiàn)的老化或失效等問題，都會(huì)引起并聯(lián)IGBT支路電流的不均衡，影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。對(duì)國內(nèi)外IGBT并聯(lián)應(yīng)用所關(guān)注的研究熱點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)研分析總結(jié)了IGBT并聯(lián)動(dòng)、靜態(tài)電流不均衡產(chǎn)生的原理及影響，分析了電流均衡控制原理的差異。從功率回路均流控制和驅(qū)動(dòng)回路均流控制兩個(gè)方面，對(duì)IGBT并聯(lián)應(yīng)用均流控制的工作特峰性進(jìn)行了分析總結(jié)和技術(shù)對(duì)比，并對(duì)IGBT并聯(lián)均流技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

隨著現(xiàn)代電力電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，大功率電能變換系統(tǒng)對(duì)電流容量的需求日益提升。單個(gè)絕緣柵雙極型晶體管IGBT(insulated-gate bipolar transistor)器件因其材料特性和制作工藝的約束，通流能力已接近正常應(yīng)用的極限，進(jìn)而無法滿足更大電流容量的應(yīng)用需求?？紤]到系統(tǒng)成本、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜性和硬件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，多個(gè)IGBT直接并聯(lián)應(yīng)用成為一種提升變流系統(tǒng)傳輸容量的有效方法[1]。多個(gè)IGBT并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，功率回路結(jié)構(gòu)是否對(duì)稱，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否一致，各并聯(lián)IGBT的特性參數(shù)以及結(jié)溫變化是否趨近，都會(huì)影響其處于通態(tài)和開關(guān)瞬態(tài)時(shí)集電極電流的一致性，即引發(fā)IGBT靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的不均流問題[2]。因此，確保各并聯(lián)支路IGBT靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流的均衡是IGBT并聯(lián)應(yīng)用的關(guān)鍵。

靜態(tài)不均流主要指各并聯(lián)IGBT在通態(tài)時(shí)由于輸出特性和結(jié)溫的差異及支路阻抗的不一致，使得負(fù)載電流在各并聯(lián)IGBT上的分布不均衡；動(dòng)態(tài)不均流主要指各并聯(lián)IGBT開通和關(guān)斷過程開始的時(shí)刻以及對(duì)應(yīng)過程中，集電極電流變化速率的不一致致使部分IGBT承受較大的電流應(yīng)力。為抑制并聯(lián)IGBT間的不均流現(xiàn)象，國內(nèi)外研究者提出了不同的均流控制方法，按照均流控制的路徑，這些方法可分為功率回路均流控制和驅(qū)動(dòng)回路均流控制兩類。功率回路均流控制主要通過調(diào)整功率回路結(jié)構(gòu)或引入額外的阻抗以及利用熱網(wǎng)絡(luò)分析改善硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)而增強(qiáng)并聯(lián)IGBT間或IGBT內(nèi)部芯片間的電熱參數(shù)的一致性，或盡可能弱化參數(shù)不一致所帶來的影響；驅(qū)動(dòng)回路均流控制主要通過采用一定的輔助電路及控制策略，調(diào)整門極的控制信號(hào)進(jìn)而間接影響IGBT的集電極電流特性。

由于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的多樣性，需選擇合適的IGBT均流控制方法以滿足并聯(lián)系統(tǒng)的電流容量需求，權(quán)衡各控制方法在均流效果、損耗和電路復(fù)雜程度等因素下的原理及特點(diǎn)是必要的。本文根據(jù)近年來國內(nèi)外對(duì)IGBT并聯(lián)應(yīng)用均流控制方法的研究，首先從IGBT并聯(lián)靜、動(dòng)態(tài)電流不均衡的原理分析及其影響因素進(jìn)行闡述，隨后從功率回路均流控制和驅(qū)動(dòng)回路均流控制兩個(gè)方面說明IGBT均流控制方法的研究現(xiàn)狀及其原理、特性，并對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)和對(duì)比展望。

01

靜動(dòng)態(tài)均流原理及其影響因素

1.1

靜態(tài)均流及其影響因素

靜態(tài)均流問題可以歸結(jié)至并聯(lián)IGBT的輸出特性或飽和壓降上，以兩個(gè)IGBT直接并聯(lián)為例說明其靜態(tài)均流特性，圖1為兩并聯(lián)IGBT輸出特性曲線及其簡(jiǎn)化等效電路示意。

(a)輸出特性曲線

(b)簡(jiǎn)化等效電路

圖1.并聯(lián)IGBT及其輸出特性

圖1中，VCE(sat)1和VCE(sat)2分別為兩個(gè)并聯(lián)IGBT中Q1和Q2在飽和區(qū)下的集電極電壓，由于飽和壓降較低時(shí)IGBT的輸出特性為非線性，而在飽和壓降較高時(shí)近似呈線性，因此可以得到Q1和Q2的輸出特性[3]為：

式中：Vo1和Vo2分別為Q1和Q2輸出特性曲線線性化后與VCE軸的交點(diǎn)，即開啟電壓，r1和r2分別為Q1和Q2的通態(tài)電阻；IC1和IC2分別為Q1和Q2的集電極電流；ICtot為Q1和Q2的集電極電流之和。由于Q1和Q2為并聯(lián)關(guān)系，存在數(shù)學(xué)關(guān)系：V CE(sat)1=VCE(sat)2=VCE(sat)，結(jié)合式(1)定義IGBT并聯(lián)時(shí)的靜態(tài)電流不均衡度，即：

由于并聯(lián)時(shí)通常會(huì)選取同一批次的IGBT，其開啟電壓Vo較為接近，一般情況下可認(rèn)為Vo1≈Vo2，繼而可將式(2)簡(jiǎn)化為：

其中，r1和r2表征著IGBT中Q1和Q2的飽和壓降，可知飽和壓降對(duì)靜態(tài)均流特性有重要影響。通過對(duì)IGBT的飽和壓降構(gòu)成進(jìn)一步分析，可以了解到結(jié)溫對(duì)IGBT并聯(lián)靜態(tài)均流特性的影響圖，即：

式中：RM為IGBT的通態(tài)電阻;Rch為溝道電阻;Ra為積累層電阻、Rj為JFET電阻;Repi為外延層電阻。其中，Ra和Rj與器件的制造工藝有關(guān)Repi會(huì)隨器件結(jié)溫的升高而略有增大，Rch作為通態(tài)電阻，主要受門極導(dǎo)通電壓和結(jié)溫的影響，即：

式中：L為IGBT的溝道長度;Z為單位面積的溝道寬度;μns為溝道反型層電子的遷移率;Cox為單位面積的柵氧化層電容;VG,on為導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓;VGE(th)為IGBT的開通閾值電壓。

溝道反型層電子的遷移率μns是關(guān)于結(jié)溫Tj的減函數(shù)，即：

式中:T0和m均為常數(shù)

由式(4)~式(6)可知，隨著IGBT結(jié)溫的升高，其通態(tài)電阻會(huì)增大進(jìn)而導(dǎo)致其集電極電流減小，使得通態(tài)電阻較小的IGBT流過更多電流，經(jīng)過累積后在各并聯(lián)IGBT的通態(tài)損耗和老化程度上產(chǎn)生進(jìn)一步的差異，對(duì)此問題，近年來各IGBT廠商如英飛凌、ABB等推出了具有正溫度系數(shù)PTC(positive temperature coefficient)的IGBT以抑制并聯(lián)應(yīng)用時(shí)靜態(tài)電流的不均衡現(xiàn)象。

IGBT并聯(lián)應(yīng)用時(shí)靜態(tài)電流的不均衡可歸咎于飽和壓降的不一致，器件自身的輸出特性、結(jié)溫和外部電路阻抗的不一致都將對(duì)并聯(lián)IGBT的飽和壓降產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致負(fù)載電流在各并聯(lián)IGBT上分布不均。在實(shí)際應(yīng)用中，影響并聯(lián)IGBT飽和壓降進(jìn)而引發(fā)靜態(tài)電流不均衡的因素如表1所示[5]。

1.2

動(dòng)態(tài)均流及其影響因素

IGBT并聯(lián)時(shí)動(dòng)態(tài)不均流現(xiàn)象的主要表現(xiàn)為并聯(lián)IGBT開通、關(guān)斷過程起始時(shí)刻的不一致或集電極電流在開通、關(guān)斷過程中變化速率的不一致。其中，IGBT開通、關(guān)斷過程起始時(shí)刻的不一致通常源于門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)或門極驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)的不一致，集電極電流在開通、關(guān)斷過程中變化速率的不一致則與器件內(nèi)部參數(shù)及門極驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)[6-7]。

表1.IGBT并聯(lián)時(shí)靜態(tài)均流影響因素

以IGBT的開通過程為例，IGBT在該過程中存在開通延遲時(shí)間td(on)，它對(duì)應(yīng)IGBT的門極電壓由關(guān)斷時(shí)的穩(wěn)態(tài)值達(dá)到導(dǎo)通閥值所經(jīng)過的時(shí)間[8]，即

式中：RG,on和Rint分別為門極驅(qū)動(dòng)電阻和IGBT內(nèi)部的門極電阻;Cies為IGBT的輸入電容;VG,on和VG,off分別為門極驅(qū)動(dòng)電路開通和關(guān)斷時(shí)輸出的穩(wěn)態(tài)電壓;VGE(th)為IGBT的導(dǎo)通閥值電壓。門極驅(qū)動(dòng)電阻及輸出電壓、IGBT內(nèi)部的門極電阻、IGBT結(jié)電容以及導(dǎo)通閥值電壓的差異都會(huì)對(duì)并聯(lián)IGBT開通過程起始時(shí)刻的一致性產(chǎn)生一定影響，此外，開通延遲時(shí)間td(on)還會(huì)隨著結(jié)溫Tj的升高而增大。

在IGBT開通延遲結(jié)束后，集電極電流開始上升，其上升速率可表示為：

式中：lc為集電極電流；VGE為門極電壓;gm為等效跨導(dǎo)，與IGBT自身參數(shù)以及門極電壓有關(guān)，可知其對(duì)動(dòng)態(tài)均流存在影響。

與開通過程類似，IGBT的關(guān)斷過程也與上述參數(shù)存在一定關(guān)聯(lián)。IGBT自身參數(shù)以及門極驅(qū)動(dòng)電壓都會(huì)對(duì)并聯(lián)IGBT的開關(guān)過程起始時(shí)刻和電流變化速率的一致性產(chǎn)生影響。另外，對(duì)于單個(gè)IGBT，其內(nèi)部布局(如引入開爾文發(fā)射極)會(huì)影響各并聯(lián)芯片的電流均衡回，這意味著包括IGBT在內(nèi)的功率模塊內(nèi)部需要更加合理的布局以確保并聯(lián)芯片間電流的均衡分布[10]。IGBT并聯(lián)時(shí)影響其動(dòng)態(tài)均流特性的因素如表2所示[5]。

表2.IGBT并聯(lián)時(shí)動(dòng)態(tài)均流影響因素

由以上分析可知，IGBT自身特性及其結(jié)溫、門極驅(qū)動(dòng)電路與功率回路布局以及負(fù)載特性都將對(duì)IGBT并聯(lián)應(yīng)用時(shí)的均流特性產(chǎn)生影響，因此，在未采取任何功率回路、驅(qū)動(dòng)回路和散熱設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化時(shí)，通常要對(duì)并聯(lián)IGBT進(jìn)行降額計(jì)算及降額應(yīng)用，即通過降低流經(jīng)并聯(lián)IGBT的負(fù)載電流上限以妥協(xié)性地確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

不同數(shù)目的IGBT并聯(lián)并滿足一定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均流特性時(shí)，由于靜態(tài)降額因子取值普遍高于動(dòng)態(tài)降額因子，因此在考慮并聯(lián)系統(tǒng)的降額時(shí)可以優(yōu)先考慮靜態(tài)降額因子[11]，并聯(lián)IGBT運(yùn)行在安全工作區(qū)內(nèi)時(shí)，通過并聯(lián)IGBT數(shù)目n、單個(gè)IGBT的集電極電流額定值IC(nom)以及平均電流IC(ave)，可以得到并聯(lián)IGBT總電流上限∑I[12]，即：

式中，IC(max)為并聯(lián)IGBT中承受最大電流應(yīng)力的IGBT對(duì)應(yīng)的集電極電流。

為盡量減少降額對(duì)各并聯(lián)IGBT性能的限制，針對(duì)復(fù)雜且多樣的影響因素，在確保選用同一型號(hào)、批次及相近正溫度特性IGBT的前提下，還需要采取合適的均流控制方法。

02

功率回路均流控制

功率回路的設(shè)計(jì)是IGBT并聯(lián)應(yīng)用中至關(guān)重要的一步，通過對(duì)每個(gè)并聯(lián)IGBT的外圍功率回路引人無源器件或優(yōu)化功率回路布局來提高并聯(lián)系統(tǒng)各支路參數(shù)的一致性，以達(dá)到降低靜、動(dòng)態(tài)電流的不均衡度的目的。以IGBT并聯(lián)應(yīng)用為前提進(jìn)行功率回路設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)帶有一定的妥協(xié)性，需要在各支路電流均衡度和達(dá)到相應(yīng)均流指標(biāo)而引入的損耗等方面進(jìn)行考量。

在優(yōu)化并聯(lián)IGBT功率回路布局方面，阻抗匹配對(duì)IGBT并聯(lián)應(yīng)用中電流分布的影響需要重點(diǎn)考慮[13]。研究構(gòu)建功率回路間分布參數(shù)模型的等效電路，設(shè)計(jì)了不同的功率回路連接方式進(jìn)行性能比較測(cè)試，如圖2所示。在并聯(lián)IGBT支路間門-射極阻抗Zge和集-射極阻抗Zce差異較小的兩種結(jié)構(gòu)(圖2(b)和(d))下，各并聯(lián)IGBT的門極電壓差異較小，并聯(lián)系統(tǒng)擁有更好的均流特性。研究顯示，圖2(d)結(jié)構(gòu)具有更好的動(dòng)、靜態(tài)均流特性，雖然在實(shí)際中較難實(shí)現(xiàn)。

并聯(lián)IGBT發(fā)生短路時(shí)的負(fù)載對(duì)稱連接的均流問題，也需要特別考慮?；?D數(shù)學(xué)模型及仿真，研究非對(duì)稱負(fù)載連接下功率回路中電感分布對(duì)均流特性的影響，通過改進(jìn)交流側(cè)連接端子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使其增加了額外的連接，進(jìn)而有效降低了交流側(cè)的雜散電感，使得短路工況下并聯(lián)IGBT的電流分配得到優(yōu)化，通過后續(xù)短路工況的仿真可知，增加接觸面積，采用更小的電流回路連接能夠有效抑制短路工況時(shí)的電流不均衡[14]。

在設(shè)計(jì)功率回路的布局時(shí)，通常會(huì)受到許多實(shí)際條件的約束使并聯(lián)系統(tǒng)無法在電流通路和空間電磁場(chǎng)方面達(dá)到完全對(duì)稱[15-16]，引人額外的無源器件進(jìn)行阻抗匹配或抑制各支路在開關(guān)過程中集電極電流的變化速率成為了一種輔助性措施。

外加電感平衡法如圖3所示，通過在各IGBT所在的支路中均引入額外的電感，進(jìn)而抑制IGBT開通和關(guān)斷過程中集電極電流的變化速率，其基本原理是通過IGBT外圍引入比雜散電感大一個(gè)或數(shù)個(gè)量級(jí)的μH級(jí)電感以抑制原支路中雜散電感間存在的差異。外加電感法可以同時(shí)抑制動(dòng)態(tài)電流和靜態(tài)電流的不均衡，且開關(guān)頻率越高，效果就越好。

(a)功率回路同向連接方式

(b)功率回路對(duì)稱連接方式

(c)發(fā)射極對(duì)稱連接方式

(d)功率回路中心對(duì)稱連接方式

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圖2.4種回路中心對(duì)稱鏈接方式

目前該種方法僅見于涉及兩電平電路拓?fù)渲械膽?yīng)用的文獻(xiàn)中，在其他電路拓?fù)湫问街械膽?yīng)用有待進(jìn)一步研究[16]。外加電感的大小可以表示為：

式中：UDC為直流母線電壓；?Imax為所允許的電流偏差最大值；?t為并聯(lián)IGBT間開關(guān)過程起始時(shí)刻的偏差。

對(duì)外加電感后電流的不均衡度進(jìn)行推導(dǎo)與簡(jiǎn)化[3]，得到：

(a)獨(dú)立電感均流

(b)共軛電感均流

圖3.外加電感法

外加電感法雖然在工程上易于實(shí)現(xiàn)，卻存在著明顯的缺點(diǎn):1.由于IGBT功率回路中引入了取值高于雜散電感一個(gè)或數(shù)個(gè)量級(jí)的電感，在選用同一驅(qū)動(dòng)電路配合發(fā)射極電阻反饋法進(jìn)行IGBT并聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí)，IGBT門極驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生的反饋電壓會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)管的損壞；2.該方法對(duì)因IGBT模塊內(nèi)部參數(shù)不一致產(chǎn)生的續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流的不一致并無改善作用。

在每個(gè)IGBT獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和外加電感的基礎(chǔ)上，基于特定的拓?fù)淇梢赃M(jìn)一步改善IGBT的并聯(lián)均流特性[3]，如圖4所示，以外加電感法為基礎(chǔ)，在直流側(cè)引入了一個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由吸收電感Ldc_b1和Ldc_b2、吸收電容Cdc_b1和Cdc_b2、二極管D組成，輸出側(cè)電感由電感Le1和Le2組成，負(fù)載由負(fù)載電感L、電容C和負(fù)載電阻R組成，IGBT模塊由4個(gè)IGBT組成的H橋型并聯(lián)電路構(gòu)成，Vd為直流輸入電壓，Cd為直流側(cè)吸收電容。

該拓?fù)涫笽GBT開通和關(guān)斷過程中的集電極電流變化速率均受到支路電感的抑制，繼而減小動(dòng)態(tài)電流的不均衡，而Z源網(wǎng)絡(luò)中的電感將會(huì)使IGBT開通過程中換向速率變慢，減緩了二極管反向恢復(fù)所帶來的開通時(shí)動(dòng)態(tài)電流不均。該方法配合軟開通方式可以降低開通損耗，由于附加的電感在任何時(shí)刻都存在電流通路，不會(huì)產(chǎn)生額外的過電壓，直流側(cè)電感則能夠抑制短路時(shí)電流的di/dt，進(jìn)而簡(jiǎn)化短路保護(hù)的設(shè)計(jì)。該拓?fù)鋷淼膯栴}為:IGBT關(guān)斷時(shí)，Z源網(wǎng)絡(luò)中電感的部分電流會(huì)流入IGBT吸收電容對(duì)其充電，進(jìn)而抬高IGBT關(guān)斷時(shí)集射極電壓的第二尖峰值，為抑制該尖峰，需要在引人Z源網(wǎng)絡(luò)時(shí)額外引入1個(gè)二極管和2個(gè)μH級(jí)電感的基礎(chǔ)上，在直流側(cè)添加由二極管及電容組成的CDC網(wǎng)絡(luò)。

圖4.文獻(xiàn)[3]所提IGBT并聯(lián)電路

并聯(lián)IGBT間的電流分布不僅受到各支路阻抗影響，還與熱網(wǎng)絡(luò)中存在的耦合效應(yīng)有著重要的聯(lián)系，半導(dǎo)體器件的開關(guān)損耗與通態(tài)損耗通常會(huì)受到結(jié)溫的影響，而結(jié)溫也會(huì)由于損耗的存在而波動(dòng)，進(jìn)而影響器件的瞬態(tài)和通態(tài)特性。為了較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)IGBT模塊瞬態(tài)結(jié)溫的變化進(jìn)而將其推廣至并聯(lián)系統(tǒng)，需要建立IGBT模塊的瞬態(tài)電熱模型，以分析并聯(lián)IGBT散熱路徑之間的耦合關(guān)系，優(yōu)化并聯(lián)系統(tǒng)中功率模塊的安裝位置和散熱器設(shè)計(jì)，利用自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷和水冷這3種常用的冷卻措施[17]在保證各IGBT的結(jié)溫處于安全工作區(qū)內(nèi)的同時(shí)，使得各模塊具有較小的結(jié)溫差異，以提高瞬態(tài)和通態(tài)時(shí)集電極電流的一致性。

并聯(lián)IGBT模塊間的散熱布局會(huì)對(duì)各模塊溫升及熱量交換產(chǎn)生較大影響，準(zhǔn)確的熱耦合特性分析有利于模塊間散熱布局的合理設(shè)計(jì)。通過引人Elmore延時(shí)的RC組件模型RCCM(RC component model)，可以反映熱量在每個(gè)組成層級(jí)之間的傳導(dǎo)延遲并提取熱網(wǎng)絡(luò)中的熱阻抗參數(shù)和時(shí)間常數(shù)，進(jìn)而對(duì)采取一定冷卻措施下的IGBT模塊的瞬態(tài)和通態(tài)的熱特性進(jìn)行分析[17]。而通過采集模塊外殼的熱測(cè)量數(shù)據(jù)與熱阻抗參數(shù)ZJC相結(jié)合的方式提取整個(gè)系統(tǒng)的RC網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，將使IGBT結(jié)溫的預(yù)測(cè)易于實(shí)現(xiàn)[18]。通過對(duì)單個(gè)IGBT模塊進(jìn)行熱模型的建立與分析，使瞬態(tài)時(shí)結(jié)溫變化的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，但由于解析方法求解熱模型較為困難，并未將分析推廣到并聯(lián)IGBT應(yīng)用中。采用改進(jìn)型并聯(lián)熱阻抗模型分析結(jié)溫對(duì)IGBT瞬態(tài)和通態(tài)的影響時(shí)，器件之間存在橫向的熱流分布使得散熱路徑間存在的耦合將被考慮在內(nèi)[19]即在單個(gè)器件熱阻模型的基礎(chǔ)上添加橫向耦合的熱阻部分，將器件總的損耗分成橫向PH和縱向PV流動(dòng)，并以此為基礎(chǔ)，建立了IGBT并聯(lián)瞬態(tài)電熱模型(損耗與結(jié)溫相互影響的耦合模型)，通過實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模塊距離增大導(dǎo)致散熱器水平熱阻抗部分的參數(shù)增大，該模型使并聯(lián)模塊之間的熱耦合特性的分析更加準(zhǔn)確。

并聯(lián)IGBT的熱耦合參數(shù)不僅需要從模塊散熱布局方面進(jìn)行優(yōu)化，單個(gè)模塊內(nèi)部芯片間的溫度也會(huì)相互作用進(jìn)而影響整個(gè)模塊的溫度?；诠β誓K內(nèi)部熱量的橫向傳導(dǎo)分析熱交叉耦合作用的基理，根據(jù)單芯片工作時(shí)其他芯片受到的溫度影響建立交叉耦合熱網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)交叉耦合熱網(wǎng)絡(luò)模型、傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)模型以及有限元模型獲取的平均結(jié)溫情況進(jìn)行對(duì)比[20]，可以指導(dǎo)模塊封裝參數(shù)的優(yōu)化以提高模塊的可靠性。

IGBT并聯(lián)應(yīng)用下功率回路的均流控制主要通過優(yōu)化功率回路電熱特性的一致性以及在主電路中引入額外的元件，確保并聯(lián)IGBT具有較為合理的動(dòng)、靜態(tài)均流特性。但在高壓大功率場(chǎng)合，額外引人的元件的體積、損耗及成本較高，某些功率回路布局也較難實(shí)現(xiàn)。

03

驅(qū)動(dòng)回路均流控制

驅(qū)動(dòng)回路均流控制由驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)和門極控制策略兩方面組成，其中門極控制策略主要通過改變各并聯(lián)IGBT門極控制信號(hào)的大小和一致性來間接控制其集電極電流的一致性，根據(jù)對(duì)門極輸入的影響方式可分為無源控制和有源控制兩種。無源控制僅通過在門極回路引入無源器件即可實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)，無需控制策略與檢測(cè)電路二者的配合，主要包括發(fā)射極電阻反饋法和磁芯同步法;有源控制通過輔助電路與控制策略相配合實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)IGBT均流特性的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，主要包括平均電流法、閉環(huán)電流斜率控制法、鏈?zhǔn)娇刂品ê烷T極延遲控制法。

3.1

驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

在IGBT并聯(lián)應(yīng)用中，除了功率回路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)的選取對(duì)于并聯(lián)IGBT的均流特性同樣具有重大影響。通過測(cè)試和分析，對(duì)比了不同IGBT門極驅(qū)動(dòng)回路結(jié)構(gòu)對(duì)IGBT并聯(lián)動(dòng)態(tài)工作特性的影響，具體結(jié)果如表3所示[21]。

表3.4種驅(qū)動(dòng)回路結(jié)構(gòu)特性對(duì)比

4種IGBT驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，PI(power in-tergrations)、青銅劍科技、飛仕得科技等驅(qū)動(dòng)開發(fā)商將會(huì)綜合考慮功率模塊封裝和客戶需求等因素，推出針對(duì)某型號(hào)IGBT并聯(lián)應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電路。

3.2

無源門極控制策略

3.2.1 發(fā)射極電阻反饋法

發(fā)射極電阻反饋法是在并聯(lián)IGBT使用同一驅(qū)動(dòng)電路的前提下引入的均流控制方法，如圖6所示，處于同一驅(qū)動(dòng)電路下的各IGBT的輔助發(fā)射極公共點(diǎn)AE及其功率發(fā)射極公共點(diǎn)E之間將不可避免的存在環(huán)路[22]，該環(huán)路使并聯(lián)IGBT自身特性或功率回路寄生參數(shù)不一致時(shí)伴隨的集電極電流不均衡，通過環(huán)路影響各并聯(lián)IGBT的門極電壓，以對(duì)不均流形成抑制，通過增大發(fā)射極電阻RE1和RE2可以增大這種反饋?zhàn)饔谩?/p>

(a)單驅(qū)動(dòng)電路直接并聯(lián)引出連接

(b)多路驅(qū)動(dòng)電路隔離并聯(lián)連接

(c)單驅(qū)動(dòng)電路引出靜態(tài)多分電路連接

(d)單驅(qū)動(dòng)電路引出動(dòng)態(tài)多分電路連接

左右滑動(dòng)查看更多

圖5.4種IGBT驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖6.環(huán)路問題及發(fā)射極電阻反饋法

通過實(shí)驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)射極電阻反饋法存在一種危險(xiǎn)的振蕩現(xiàn)象[3]，當(dāng)發(fā)射極電阻取值較小時(shí)，電流不均所引起的反饋電壓較弱，無法有效改善并聯(lián)IGBT的均流特性;而當(dāng)發(fā)射極電阻取值較大時(shí)，不同的di/dt與發(fā)射極雜散電感會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的反饋電壓疊加在門極驅(qū)動(dòng)回路上，造成IGBT門極電壓在密勒平臺(tái)附近發(fā)生較大的變化，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重振蕩，這是使用該方法時(shí)有待解決的問題。

3.2.2 磁芯同步法

考慮到同一驅(qū)動(dòng)電路下并聯(lián)IGBT間存在的環(huán)路問題，在并聯(lián)IGBT的門極與輔助發(fā)射極間設(shè)置共模扼流線圈可以實(shí)現(xiàn)門極與輔助發(fā)射極的解耦[22]，進(jìn)而削弱發(fā)射極寄生電感不一致帶來的影響，如圖7所示。該方法相較于發(fā)射極電阻反饋法，均流效果雖有所改善，但引入共模扼流線圈會(huì)增加驅(qū)動(dòng)回路的體積和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。盡管該方法在發(fā)射極寄生電感存在一定差異時(shí)對(duì)均流的改善作用得到了驗(yàn)證，并聯(lián)IGBT本身參數(shù)存在差異等情況下的均流效果則并未被提及。

圖7.實(shí)現(xiàn)門極解耦的磁芯同步法

磁芯同步法的另一種方式更加常用，也稱為脈沖變壓器法，該方法于2002年被提出并在串聯(lián)均壓中得到應(yīng)用[23]，這一方法同樣適用于IGBT并聯(lián)應(yīng)用。將變比為1:1的脈沖變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)分別串入兩路并聯(lián)IGBT門極所在的線路，通過磁耦合的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的同步性，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電阻和并聯(lián)IGBT的內(nèi)部參數(shù)分別一致時(shí)，門極電阻對(duì)IGBT輸入電容的充放電過程也將趨于一致，從而實(shí)現(xiàn)IGBT的動(dòng)態(tài)均流。而根據(jù)變壓器的原理，通過級(jí)聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)多路IGBT并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)補(bǔ)償，這種良好的擴(kuò)展性成為了脈沖變壓器法最大的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)[24]，運(yùn)用脈沖變壓器法的n級(jí)IGBT并聯(lián)驅(qū)動(dòng)連接如圖8所示。

脈沖變壓器法對(duì)改善驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)不同導(dǎo)致的并聯(lián)IGBT動(dòng)態(tài)電流不均衡具有較好的效果，根據(jù)并聯(lián)IGBT的參數(shù)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)等條件，將IGBT動(dòng)態(tài)過程等效為輸入電容充放電等效電路繼而推導(dǎo)得到其范圍，變壓器的互感、漏感設(shè)計(jì)可由此為參考[25]。采用磁芯同步法進(jìn)行均壓控制時(shí)，考慮到柵極平衡核的漏感對(duì)均壓效果的影響[26]，漏感越小可使兩個(gè)繞組的電流差值越小，則均衡效果越好。

圖8.n級(jí)IGBT并聯(lián)驅(qū)動(dòng)連接

3.3

有源門極控制策略

3.3.1 平均電流法

通過平均電流與各并聯(lián)IGBT實(shí)際電流的偏差Δi調(diào)整門極電壓的大小，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)IGBT的靜態(tài)均流控制，如圖9所示，對(duì)于并聯(lián)IGBT中的某一條支路i，其參考電流Δi[27]可表示為：

式中：T為采樣時(shí)間；n為并聯(lián)IGBT的數(shù)目；ii為靜態(tài)電流，通常取自通態(tài)過程結(jié)束前的電流(所有被測(cè)電流無需精確至同一時(shí)刻)。文獻(xiàn)[28]也提出了利用并聯(lián)IGBT的平均電流IC(AVC)及各IGBT的實(shí)際電流IXi得到作用于IGBT門極的電壓ΔVi，進(jìn)而與控制信號(hào)VPWM相疊加成為實(shí)際作用于門極的驅(qū)動(dòng)電壓VGEI實(shí)現(xiàn)并聯(lián)IGBT的均流。

圖9.平均電流法示意

平均電流法對(duì)靜態(tài)電流有較好的均衡作用，而對(duì)動(dòng)態(tài)均流的實(shí)現(xiàn)則需借助復(fù)雜的數(shù)字處理，且均流過程存在一定的延遲，需通過優(yōu)化控制策略及改善控制、功率回路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以進(jìn)一步提升均流效果。

3.3.2 參考電流法

通過引入一種無需數(shù)字處理環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)電流環(huán)可以優(yōu)化并聯(lián)IGBT靜態(tài)均流特性[29]，如圖10所示。該穩(wěn)態(tài)電流環(huán)通過參考電流得到對(duì)應(yīng)的參考電壓Uref。

參考電流法有較好的靜態(tài)均流效果，可通過模擬電路實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)電流的調(diào)節(jié)，有效節(jié)約了器件成本，該方法的均流效果容易受到IGBT參數(shù)差異的影響。

圖10.穩(wěn)態(tài)電流環(huán)示意

3.3.3 閉環(huán)電流斜率控制法

通過對(duì)集電極電流變化速率dlc/dt設(shè)置參考值，使各并聯(lián)IGBT在開關(guān)過程中按照既定的斜率上升和下降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)均流[30]，其控制電路如圖11所示。該方法通過檢測(cè)輔助發(fā)射極至功率發(fā)射極間寄生電感兩端的電壓，與對(duì)應(yīng)參考電流斜率的參考電壓進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)均流。由于在控制算法中存在發(fā)射極寄生電感IE作為關(guān)鍵參數(shù)，閉環(huán)電流斜率控制法易受到IGBT參數(shù)的影響。

圖11.閉環(huán)電流斜率控制法示意

3.3.4 鏈?zhǔn)娇刂品?/i>

在并聯(lián)時(shí)各IGBT按照一定的次序，將其相鄰的一個(gè)IGBT的集電極電流作為參考，可以避免平均電流法可能引發(fā)的控制飽和問題B11，如圖12所示。

圖12.鏈?zhǔn)娇刂品ㄊ疽?/i>

鏈?zhǔn)娇刂品ㄒ?guī)避了平均電流法參考值的計(jì)算以及控制飽和的發(fā)生，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，但各并聯(lián)IGBT電流的提取仍需額外的器件和空間，且該方法缺少相應(yīng)的動(dòng)態(tài)均流措施。

3.3.5 門極延遲控制法

與IGBT串聯(lián)均壓中采取的門極延遲控制原理相同，通過分別調(diào)節(jié)各并聯(lián)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序，使其能夠在相近的時(shí)刻開通或關(guān)斷，即可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)均流特性[22-33]。通過第3.2.1節(jié)提及的由平均電流和測(cè)量電流得到的參考電流Δi，經(jīng)控制算法得到延遲時(shí)間Δt，對(duì)開通及關(guān)斷控制信號(hào)進(jìn)行延遲調(diào)節(jié)，如圖13所示，并在1000V/800A下選用4個(gè)IGBT半橋模塊進(jìn)行并聯(lián)測(cè)試，得到了可接受的均流效果[27]，但該方法的均流效果受電流采集時(shí)刻與器件選擇的影響，存在一定局限性。

圖13.運(yùn)用平均電流的門極延遲控制示意

通過將已知的器件參數(shù)代人均流模型的方式獲取需要引入的延時(shí)補(bǔ)償后，經(jīng)過精細(xì)調(diào)整，可改善并聯(lián)IGBT的動(dòng)態(tài)均流特性。通過PCB羅氏線圈測(cè)量各支路電流后，與設(shè)置的電流閾值Itrig相比較，進(jìn)而獲取對(duì)應(yīng)的延時(shí)，隨后選擇并聯(lián)IGBT中任意一路作為參考支路，用于調(diào)節(jié)其他支路上IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲時(shí)間[34-35]。采用PCB羅氏線圈測(cè)量或利用發(fā)射極感應(yīng)電壓VEe可以獲取集電極電流的上升、下降沿信息，再通過引入主從結(jié)構(gòu)和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)2種門極延遲控制，門極驅(qū)動(dòng)的不同步能夠得到有效改進(jìn)。對(duì)于利用IGBT發(fā)射極感應(yīng)電壓VEe獲取集電極電流上升、下降沿實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的延遲時(shí)間補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?，其均流效果?700V/450A條件下的IGBT三模塊并聯(lián)應(yīng)用中得到驗(yàn)證[36-37]。

3.3.6 變門極電阻控制法

門極電阻Rg的取值對(duì)IGBT的開通/關(guān)斷延遲時(shí)間、集電極電流變化速率以及集射極電壓變化速率等方面會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。僅在開通及關(guān)斷延遲階段通過數(shù)字輸入與模擬開關(guān)結(jié)合的方式，將兩個(gè)電阻串聯(lián)以改變門極電阻的大小，在延遲階段結(jié)束后將門極電阻切換至原始值，經(jīng)過以上過程。并聯(lián)IGBT的動(dòng)態(tài)均流特性(600V/90A)可得到優(yōu)化[38]。該方法可看作通過影響驅(qū)動(dòng)回路對(duì)輸入電容的充放電過程間接地改變開關(guān)延遲時(shí)間，可認(rèn)為是一種間接的門極延遲控制方法，但并未在更高功率等級(jí)下進(jìn)行測(cè)試，有待進(jìn)一步探索。

04

均流控制方法對(duì)比及展望

對(duì)上述均流方式(包括降額法)的對(duì)比如表4所示，分別從均流效果、引入損耗、設(shè)計(jì)復(fù)雜度和可靠性4個(gè)方面進(jìn)行了比較。

降額法作為最簡(jiǎn)單的均流方式，不會(huì)引入過多損耗，但會(huì)對(duì)器件的利用率產(chǎn)生較大限制，不適用于并聯(lián)IGBT數(shù)目較多的情況，因此還需要從功率回路和驅(qū)動(dòng)回路兩方面考慮進(jìn)行均流控制。

對(duì)于功率回路，優(yōu)化其電磁以及熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一致性可以有效均衡各支路電流的分布，但在實(shí)際運(yùn)行條件的限制下，可能需要外加電感法配合在一定程度上抑制電流的變化速率，這同時(shí)也會(huì)引入較大的損耗，而基于拓?fù)涞耐饧与姼蟹ㄒ氲年P(guān)斷電壓尖峰問題亦需配合額外的元件對(duì)其進(jìn)行抑制，因此，僅依賴外加電感的均流方式在高壓、高頻的場(chǎng)合并不適用。

表4.均流方式對(duì)比

對(duì)于驅(qū)動(dòng)回路，在未采用任何門極控制策略時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)對(duì)均流特性的需求選取不同的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)以使門極信號(hào)達(dá)到相應(yīng)的一致性，盡管隔離驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有較好的均流效果，但對(duì)信號(hào)隔離環(huán)節(jié)中各元件的一致性的要求會(huì)隨著并聯(lián)IGBT數(shù)目的增加而更加嚴(yán)苛，同時(shí)也不適用于并聯(lián)IGBT的分布較為松散的場(chǎng)合;在發(fā)射極引入反饋電阻雖然可以有效抑制不均流但存在振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，其較大的反饋電阻在并聯(lián)器件開關(guān)頻率較高的場(chǎng)合將帶來的較大的驅(qū)動(dòng)損耗;磁芯同步法可抑制由驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)不一致而產(chǎn)生的電流不均，其均流效果較為理想，電路拓?fù)浜?jiǎn)單，具有擴(kuò)展性，但耦合變壓器的存在會(huì)使驅(qū)動(dòng)電路的體積增大，其復(fù)雜程度也會(huì)提高，適用于并聯(lián)IGBT本身參數(shù)差異較小且系統(tǒng)體積限制不高的情況。平均電流法和鏈?zhǔn)娇刂品▽?duì)靜態(tài)均流能夠起到一定的改善作用，但需要額外的電流檢測(cè)電路或易受器件參數(shù)的影響，參考電流法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有較好的靜態(tài)均流效果，但也有一定的參數(shù)依賴性，以上三者適用于器件開關(guān)頻率不高的場(chǎng)合;閉環(huán)電流斜率控制法在改善動(dòng)態(tài)不均流的同時(shí)也存在器件參數(shù)的依賴性，且不適用于驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸延時(shí)差異較大、器件開關(guān)頻率較高的場(chǎng)合;門極延遲控制法盡管能達(dá)到較好的動(dòng)態(tài)均流效果，但較為依賴延時(shí)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量及計(jì)算精度，對(duì)控制單元的快速性和穩(wěn)定性有著較高要求，較適用于中高頻場(chǎng)合，變門極電阻控制法較于前者更加簡(jiǎn)單但缺少自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，且對(duì)于集電極電流的測(cè)量精度有著一定要求，更高功率等級(jí)下是否適用還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

在上述均流方式需要進(jìn)一步完善的同時(shí)，未來的IGBT并聯(lián)均流控制應(yīng)具備以下特征:基于IGBT模塊封裝及內(nèi)部芯片布局的優(yōu)化，功率回路及散熱設(shè)計(jì)得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化，結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)和并聯(lián)控制策略應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，確保系統(tǒng)均流指標(biāo)的同時(shí)具備一定的檢測(cè)和保護(hù)功能，各并聯(lián)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)獨(dú)立、模塊化，具有可替換性。均流技術(shù)的發(fā)展可能集中在以下6個(gè)方向。

05

結(jié)語

對(duì)于并聯(lián)IGBT的均流控制，可以從功率回路和驅(qū)動(dòng)回路兩方面進(jìn)行考慮。功率回路均流控制包括加強(qiáng)各并聯(lián)IGBT及其所在支路在電磁及熱耦合方面的一致性以及外加電感實(shí)現(xiàn)對(duì)集電極電流變化速率的抑制;驅(qū)動(dòng)回路均流控制包括驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)和門極控制策略兩方面，從電路結(jié)構(gòu)和功能上實(shí)現(xiàn)對(duì)門極電壓的調(diào)節(jié)。從均流效果、引入損耗、設(shè)計(jì)復(fù)雜度和可靠性4個(gè)方面對(duì)比了文中提到的各均流方式，并對(duì)未來IGBT并聯(lián)均流技術(shù)可能的研究方向進(jìn)行了展望。