IGBT-模块作并联设计注意事项

1ApplicationNoteAN9003V0.0使用IGBT模块作并联设计须注意的事项朱翔[e-mail]大于400A的1200VIGBT模块由于生产成本较高,在市场上的售价也会比较高,而标准1200V,200-400A62mm封装的模块,因技术与产品相对稳定,产品通用性好,替换容易,故采用多个标准型IGBT模块并联来提高电流额定是一个现阶段最经济的作法。但是由于IGBT自身参数的不一致以及电路布局所可能导致的不对称,使用IGBT模块作并联设计并不是简单的工作,不合理的选用元件作为并联或时很容易会使器件失效进而损坏主系统上的线路。所以本文从器件的参数与提出引起分流不均的原因,结合斯达自身的产品，应用部门在客户端成功的经验与厂内的测试设备,提出使用斯达IGBT模块作并联设计需注意的事项。一般大于100A的模块，本身就是有若干个芯片并联而成的，虽然厂家可以采用同一晶圆上的芯片来并联的措施减小模块本身的参数差异。但涉及还是需要考虑到由此产生的模块参数个体之间自身的差异。同时电路的对称性对并联是一个非常重要的影响，可以从静态和动态两个方面，从期间本身的参数差异和电路对称性的差异这几个方面对其进行阐述。影响模块并联静态均流的因素在实际使用中IGBT模块工作状态主要在导通和开关暂态,而导通阶段时间比较长,电流大,这一段对影响较大，先从静态导通状态着手谈论。1.1．导通状态下影响模块并联均流的主要原因有下面4点a)饱和压降Vce（sat）的影响b)并联功率回路阻抗不对称的影响c)门极驱动电压Vge的影响d)开启电压Vth的影响e)二极管导通压降Vf的影响2010—05—19嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.2ApplicationNoteAN9003V0.01)不同Vce（sat）并联时的问题:很多情况下，一般人会认为电流流过IGBT产生的压降Vce（sat）是一个定值，其实这是一种误解，Vce（sat）指的其实是通过额定电流产生的压降。对IGBT而言，在相同Vge下，导通压降是电流的函数。对于并联的2个IGBT而言，开通稳态时正向导通的所产生的压降是相等的。因此，电流分布的均衡性取决于并联的各个IGBT的输出特性的差异。图１表示了两个不同输出特性的IGBT在并联时表现出来的电流分布的差异(并联时2个IGBT的Vce相同)。图１不同输出特性的IGBT并联后的均流情况图2并联时均流的示意图嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.3ApplicationNoteAN9003V0.0图1中VT1和VT2为两个型号相同的并联的IGBT，图2表明两个IGBT的输出特性略有不同。iC1和iC2分别为VT1和VT2在具有相同的管压降（UCE1=UCE2）下的集电极电流，I表示此类型IGBT的额定电流，Vcesat1和Vcesat2表示两个IGBT在额定电流下分别的饱和压降。则可以近似的认为：R1=（Vcesat1-Vo1)/I(1)R2=（Vcesat2-Vo2)/I(2)UCE1=Vo1+R1×iC1(3)UCE2=Vo2+R2×iC2(4)当并联时UCE1=UCE2=Uce，则iC1=（Uce-Vo1）/R1=（Uce-Vo1）×I/（Vcesat1-Vo1)iC2=（Uce-Vo2）/R1=（Uce-Vo2）×I/（Vcesat2-Vo2)由于此两个IGBT是同类型的，故Vo1≈Vo2＝Vo则所以如果两个并联的IGBT模块流经的电流为I，则两个存在不同Vce的IGBTmodule各自须承受的电流可概略计算如下:iC1=（Uce-Vo1）/R1=（Uce-Vo1）×I/（Vcesat1-Vo1)=（Uce-Vo）×I/（Vcesat1-Vo)iC2=（Uce-Vo2）/R1=（Uce-Vo2）×I/（Vcesat2-Vo2)=（Uce-Vo）×I/（Vcesat2-Vo)以斯达最常见的GD200HFL120C2S为例：假设较大值Vcesat1为2.5V(125℃)，较小值Vcesat2为2.1V,(125℃)，Vo=0.8V电流不平衡率：α=C2C1C2C1iii-i+=VoVVVVcesatcesatcesatcesat22112−+−=0.13假设较大值Vcesat1为2.2V，较小值Vcesat1为2.1V,由数据手册查到的典型Vo为=0.8V电流不平衡率：α=C2C1C2C1iii-i+=VoVVVVcesatcesatcesatcesat22112−+−=0.03如果Vcesat相差0.1V,即使并联模块需要的输出的电流为io=200A，则另一个Vce(sat)较低的IGBTmodule,的电流相差也就6A。实际工作的话导通的损耗会比另一个IGBT模块多出，虽说IGBT芯片在大电流嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.4ApplicationNoteAN9003V0.0具有正温度系数，所以两个IGBT模块并联时，建议Vce(sat)的相差以不要超过0.2V为原则,如果无法避免,则建议在稳态的温度上留较大的余裕来补偿。2）功率回路的阻抗不对称造成的分流不均图２主电路回路阻抗的影响一般认为并联的母排走线存如果的差异，则造成回路阻抗的差异,所以既使使用Vce(sat)相差低于0.2V的IGBT模块并联,仍必须考虑到母排走线的对称性,而事实上这部份的影响其实是较低的,如等效电路图２中，将RE1和RE2，相当于两个电阻串接与原来两个均流平均的支路上，如果其阻抗不一致，则会造成均流的不一致，如RE1＞RE2，那幺RE2支路上面必然将分到更多的电流，造成分流不均衡，反之亦然。同样举以斯达的GD200HFL120C2S为例：并联模块需要的实际电流为io=200A,每个模块实际是100A，实际模块上的压降为Uce=1.7VRo=IUce=2.1V/200A=10mΩ假设铜牌横截面为4×10-5m2，模块1的母排长度为0.8m，模块1的母排长度为0.6m，30℃时通的热阻率为1.8×10-8Ω*mRE1=ρ×SL=1.8×10-8×5-1048.0×=0.36mΩ;RE2=ρ×SL=1.8×10-8×5-1046.0×=0.27mΩ电流不平衡率:α=C2C1C2C1iii-i+=)2()1()2()1(RERoRERoRERoRERo++++−+=0.004相对Vce（sat）的影响，功率回路不对称的影响在静态时是比较不用嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.5ApplicationNoteAN9003V0.0担心的。但母线同时会引进引线电感，这部分对动态均流会产生很大的影响，此部分在后面会进一步讨论。3）门极驱动电压Vge的影响电流IC流过门极电压Vge驱动的IGBT的模块，在产生导通压降Vce，这个压降不仅与流过的电流Ic，上文提供的Vce（sat）有关系，还与门极驱动电压Vge有直接的关系。反过来讲在不同的驱动电压Vge，并联的时候具有相同的Vce，此时两者通过的电流Ic自然有所不同。图3IGBT模块输出特性曲线从图3我们可以很明白的看到，如Vge=13V,在Vce=2.5V的时候，通过电流Ic≈255A如Vge=15V，在Vce=2.5V的时候，通过电流Ic≈285A不平衡率α=C2C1C2C1iii-i+=0.06，实际通过2个并联模块的电流值相差了30A。所以驱动电路设计的时候需要非常注意，务必确保并联模块的驱动电压。而这里需要特别强调，上文讨论的门极电压Vge指的是IGBT门极两端的，并非驱动板的输出电压，粗心的客户往往会犯这个错误。从图4可以看出从驱动芯片和门极之间有门极电阻，从驱动芯片到IGBT的门极需要电气连接，这就是平时在机器上看到的门极引线，而驱动元器件的参数差异,和门极引线线感差异，开启关断的时刻这个问题会比较ΔIc嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.6ApplicationNoteAN9003V0.0凸显，会造成造成加在IGBT门极上的电压和输出电压不一致。在稳态时由于门极属于高阻态，这不会成为一个问题。图4模块驱动示意图4）开启电压Vth的影响由于驱动电路的电压施加到门极上的电压，是一个从负压到施加的正电压的过程（如果有负压关断的话），电流I才在门极电压在开启电压Vth之前是不能流过模块的，所以较小的Vge(th)的IGBT会较早的开启，较晚关断。由于这个影响主要在开启的瞬间，并且从图4的转移特性曲线可以知道，驱动电压在Vth的时候Ic电流十分微小，一般同一类型的模块Vth的相差本来就在0.5V以内，所以开启电压Vth影响相对会比较微弱。Vce=20V0204060801001201401601802000123456789101112131415Vge(V)Ic(A)图5IGBT模块的转移特性5）二极管Vf的影响在变频器等运用场合，IGBT模块的反并联二极管需要承受很大的Vth嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.7ApplicationNoteAN9003V0.0电流。二极管的Vf对均流的影响和Vce（sat）对均流的影响完全一样，只是Vce（sat）影响的IGBT工作的那一段，而二极管的Vf影响的二极管续流那一段。R1=（Vf-Vo1)/I(1)R2=（Vf-Vo2)/I(2)Uf1=Vo1+R1×if1(3)Uf2=Vo2+R2×if2(4)当并联时Uf1=Uf2=Uf，则iC1=（Uf-Vo1）/R1=（Uf-Vo1）×I/（Vf1-Vo1)iC2=（Uf-Vo2）/R1=（Uf-Vo2）×I/（Vf2-Vo2)由于此两个二极管是同类型的，故Vo1≈Vo2＝Vo则所以如果两个并联的IGBT模块流经的电流为I，则两个存在不同Vce的IGBTmodule各自须承受的电流可概略计算如下:iC1=（Uf-Vo1）/R1=（Uf-Vo1）×I/（Vf1-Vo1)=（Uf-Vo）×I/（Vf1-Vo)iC12=（Uf-Vo2）/R2=（Uf-Vo2）×I/（Vf2-Vo2)=（Uf-Vo）×I/（Vf2-Vo)已常用的150A的模块为列，假设较大值Vf为2.2V，较小值Vf为2.1V,由数据手册查到的典型Vo为=1.3V电流不平衡率：α=C2C1C2C1iii-i+=VoVfVfVfVf22112−+−=0.06ΔIcVo1Vo2嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.8ApplicationNoteAN9003V0.0影响模块并联动态均流的因素影响到模块并联动态均流的原因主要有下面３点a)IGBT自身的动参数b)驱动回路的寄生电感c)功率回路的寄生电感1)IGBT自身参数造成的分流不均影响开关时刻的电流均衡主要因素是并联器件的转移特性。图3并联模块的转移特性比较图3所示的两个转移特性不一致的并联模块特性比较图。有图3可知：当给并联模块施加相同的驱动电压VGE时，其中转移特性陡峭的IGBT模块将承受更多的电流，开关损耗也会随之变大。2)驱动回路的寄生电感造成的分流不均和IGBT的门极寄生电容相结合，驱动回路的寄生电感可能会造成严重的的振荡，引起门极电压的波动。而发射极的寄生电感会造成开关度变异。IGBT门极驱动电路RG，引线电感LGLE，和IGBT输入电容Cin，的开启和开关的过程就是一个典型的RLC串联电路的响应。如图四，电阻R对应RG，电感L对应的LG+LE，电容C对应输入电容Cin。ΔIC嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.9ApplicationNoteAN9003V0.0RLC串联电路的响应满足：LC22dtudc+RCdtduc+uC=US电路的完全响应可以表达为：uC(t)=K1tse1+K2tse2（t＞0）根据初始条件可推知：K1=121ss−｛2s[uC(0)-US]-CiL