# IGBT单管并联研究与仿真Multiple Single-Tube IGBT Parallel Research and Simulation

DOI: 10.12677/JEE.2020.81006, PDF, HTML, XML, 下载: 275  浏览: 918

Abstract: This article introduces the factors that affect the parallel current sharing of IGBT and studies the static and dynamic current sharing of IGBT in parallel used. Based on the uneven current flow of parallel connection, the derating data of IGBT in parallel used are calculated and suggestions are given. Based on PSPICE software, the system model is established to simulate the influence of stray inductance and driving circuit on the current sharing characteristics of IGBT. Finally, the actual current value of multiple IGBT connected in parallel with the engineering prototype is compared with the data from the PSPICE simulation. The simulation waveforms are consistent with the measured data to verify the authenticity of the simulation. The experimental results verify the method described in the article for the guidance of multiple IGBTs in parallel Effectiveness.

1. 引言

IGBT借助其高耐压、高电流在逆变器的领域取得了广泛的应用，但是IGBT厂家推出的IGBT模块都是按照电流分段比如400 A、800 A…，由于实际的应用中，我们可能会需求100A、200A、300A、500A、700 A的IGBT，如果选择比较大的IGBT，电流会有一定的浪费，这样对于有些价格要求较高的场合显然不可以接受的。针对某个电流段的电流IGBT大功率应用场合依然有其短板，而在某些对逆变器成本要求严格的低端电动车应用领域，通常会使用小电流IGBT进行多管并联的方法以达到有效降低产品成本的目的。本文主要研究了IGBT驱动电路的参数以及各系统寄生参数对并联应用中IGBT均流特性的影响。

2. IGBT并联均流主要因素

2.1. 静态性能主要影响因素

2.1.1. VCEsat对静态均流影响

${V}_{CEQ1}={V}_{01}+{r}_{1}×{I}_{C1}$ (1)

${r}_{1}={V}_{1}/\left({I}_{C1}-{I}_{C2}\right)$ (2)

${V}_{CEQ2}={V}_{02}+{r}_{2}×{I}_{C2}$ (3)

(4)

(5)

(6)

Figure 1. 2 Combination of IGBTs with different output characteristics

Figure 2. Simulation output current

2.1.2. 结温对输出特性的影响与电流不均衡

IGBT输出特性中的温度特性对电流不均衡的影响较大。VCEsat随结温上升而上升的定义为正温度特性，VCEsat随结温上升而下降的称为负温度特性。图3显示了具正负温度特性的典型输出特性，比较两种IGBT产品的输出特性 [2] [3]，从图3可以看出V-IGBT中，温度特性为正，而N-IGBT中，在额定电流范围内温度特性全部为负。温度特性为正时，一旦结温上升，VCE相同时的集电极电流会减少。根据上一节，并联连接时VCEsat较小的IGBT承担的电流较大。因此VCEsat较小的IGBT的稳态损耗变大，结温上升。如果IGBT有正温度特性IGBT的VCEsat会上升，使其与另一侧的VCEsat较高的IGBT互相均衡，相反，IGBT的温度特性为负时，电流不均衡的变化趋势相反。因此，并联连接设计时，需要考虑电流分配问题。总之，与温度特性为负的IGBT模块相比，温度特性为正的IGBT模块容易进行并联连接。所以在并联连接时选用温度特性为正的IGBT进行使用。

Figure 3. Output characteristics of N-type and V-type IGBTs with different junction temperatures

2.2. 动态均流主要影响因素

2.2.1. 阈值电压VGEth

IGBT的门极开通门槛电压VGEth在IGBT开通行为中是比较重要的参数，每个IGBT的VGEth都不一样。硬并联的IGBT如图4，使用同一个驱动器进行驱动，假设VGE完全同步，施加在两个IGBT上。这两个IGBT由于VGEth有轻微差异，其开通的时刻就会有差异，有几ns~十几ns的差异 [4]。拥有较高门槛电压的VGEth的IGBT无法导通，它只能在一段时间△t1后导通，如图5所示。

Figure 4. IGBT gate drive hard connection

Figure 5. Gate hard-connect turn-on delay

Figure 6. Gate on delay using independent drive resistors

2.2.2. 杂散电感Lδ引起发射极环流

IGBT并联，杂散电感不对称引起的动态电流不平衡主要是发射极环流造成的。发射极环流是由于功率发射极E1、E3之间存在电位差，而该电压差的产生则是因为有较高的di/dt流过Ls1和Ls3在Ls1和Ls3上产生的。T1、T3开通或者关断的时刻，会有换流发生，这时E1和E3会有很短的瞬间有电压差。发射极环流会引起并联IGBT模块严重振荡造成模块损坏，所以要减轻避免发射极环流。以上管开通时刻产生的发射极环流形成分析：下图7中，L1为负载电感，环路2、环路3为D2，D4的续流电流。此时T1，T3同时给指令进行开通，D2，D4会发生反向恢复现象，假设T3领先于T1开通，则反向恢复电流会以图中的环路1穿过Ls1和Ls2。而反向恢复电流的变化率是非常高的，斜率能达到1~5 kA/us，在Ls1和Ls2上产生的电压使E3的电位比E1高 [5]。

Figure 7. Circulation of the emitter

Figure 8. Emitter feedback gate resistance voltage

Figure 9. Oscillation waveform caused by emitter circulation

2.2.3. 直流母排杂散电感杂散参数对均流特性的影响

Figure 10. Emitter circulation caused by asymmetry of bus inductance

3. 并联的降额使用

n个模块并联时，假设电流集中流过VCEsat最小的模块时的情况为最坏工况，通过使用并联数量为2时的电流不均衡度，n个模块并联连接时可以允许的最大的计算公式如下 [7]。

4. 仿真与整机实验

Figure 11. Parallel derating curve for 10 IGBT modules

Figure 12. Pspice model of a two-pulse system

Figure 13. Pspice simulated double pulse current waveform

IGBT均流样机测试：利用信号发生器模拟DSP给定PWM信号，测试开通关断过程中各个IGBT流过的电流。测试设备：信号发生器、直流电原、泰克5000示波器、双脉冲测试台架下图为测试波形。C1:Q1 Id1，C2:Q2 Id2，C3:Q3 Id3，C4:Q4 Id4，示波器设置为10 mV代表1 A，详细数值见表1

Table 1. Standard test system results data

Figure 14. Measured data of the maximum current of the prototype and Pspice simulation value

5. 结论

 [1] 马龙昌, 张东辉, 杨光, 等. IGBT并联应用技术研究[J]. 功率变流技术, 2015(2): 35-39. [2] 祁善军, 翁星方, 宋文娟, 等. 大功率IGBT模块并联均流特性研究[J]. 大功率变流技术, 2011(6): 14-18. [3] 刘峰, 马伯乐, 杨光, 等. 大功率变流器模块主电路杂散电感分析[J]. 机车电传动, 2013(6): 15-19. [4] 查申森, 郑建勇, 苏麟. 大功率IGBT并联运行时均流问题研究[J]. 电力自动化设备, 2005, 25(7). [5] 孙强, 王雪茹, 曹跃龙. 大功率IGBT模块并联均流问题研究[J]. 电力电子技术, 2004, 38(1): 6-8. [6] 王建民, 闫强华, 董亮, 等. 大功率IGBT模块并联动态均流研究[J]. 电气自动化, 2010, 32(2): 14-16. [7] 赵正元, 谢吉华. IGBT并联特性的研究与仿真[J]. 电气应用, 2008, 27(20): 64-67. [8] 臧小惠, 惠晶, 沈锦飞. 大容量逆变电源IGBT并联应用的仿真分析[J]. 计算机仿真, 2006(2): 202-204 + 223.