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IGBT并聯(lián)技術分析
胡永宏博士（艾克思科技）
通過電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)兩種基本方法，均可增大電力電子裝置的功率等級。采用這兩種方法設計的大功變流器，結構相對簡單，加之控制策略與小功率變流器相兼容，功率提升主要靠電力電子器件串并聯(lián)數(shù)目的增加來實現(xiàn)，因此具有成本較低，便于不同功率等級變流器進行模塊化設計和生產(chǎn)等優(yōu)點。
通過串聯(lián)IGBT可以提高變流器的電壓等級，而通過并聯(lián)IGBT則可以提高變流器的電流等級，從而提升變流器的功率等級?？紤]到前者功率密度相對較低，從性價比出發(fā)，IGBT并聯(lián)技術是最好的選擇。
1 IGBT并聯(lián)運行分析
1.1 影響并聯(lián)IGBT均流的主要因素
1) IGBT和反并聯(lián)二極管靜態(tài)參數(shù)的影響IGBT的飽和壓降Vce(sat)、反并聯(lián)二極管的正向壓降Vf主要影響靜態(tài)均流效果；IGBT的跨導gfs和柵極－發(fā)射級閾值電壓Vge_th、反并聯(lián)二極管的反向恢復特性（反向恢復時間trr和反向恢復電荷Qrr等）主要影響動態(tài)均流效果。
2) IGBT驅動電路參數(shù)的影響并聯(lián)IGBT的門極驅動電壓Vge的大小主要影響并聯(lián)IGBT的靜態(tài)均流，而門極驅動信號的變化率、門極驅動電阻Rg、驅動線路的布局和感抗等參數(shù)則對并聯(lián)IGBT的動態(tài)均流有很大的影響。
3) IGBT安裝的散熱考慮，如果IGBT散熱出現(xiàn)熱量過于集中，IGBT溫度差別大，會影響的溫度特性，形成正反饋現(xiàn)象。
4) 主電路結構的影響主電路的結構會造成線路感抗差異，并對并聯(lián)IGBT的動態(tài)均流產(chǎn)生影響，而線路的電阻則影響靜態(tài)均流。
1.2 并聯(lián)技術遵循的原則
1) 模塊的選擇：通過選擇具有正溫度系數(shù)并且最好是同一批次的IGBT單元，可以提高器件參數(shù)的一致性，實現(xiàn)最好的靜態(tài)均流。
2) 共用驅動電路通過IGBT驅動電路參數(shù)的合理設計和共用同一驅動電路，可以提高IGBT開關速度、減小器件參數(shù)分布性的影響，改善動態(tài)均流的效果。
3) 對稱布局并聯(lián)回路中所有的功率回路和驅動回路須保持最小回路漏感及嚴格的對稱布局，模塊應盡量靠近，并優(yōu)化均衡散熱，以提高并聯(lián)IGBT的均流效果。
4) 串聯(lián)均流電感：交流輸出端串聯(lián)的電感可以抑制IGBT和二極管在開關過程中的電流變化率，可以大大減小由于開關過程的差異造成的電流不均衡，通過均流電感的合理設計可以確保并聯(lián)IGBT的動態(tài)均流效果滿足設計要求。
5) 降額使用：即使IGBT模塊的選擇、共用驅動電路和優(yōu)化布局已達到最優(yōu)，但其靜態(tài)和動態(tài)性能仍然不可能達到理想的均衡。更為重要的是，IGBT模塊內部的反并聯(lián)續(xù)流二極管是雙極性器件，其正向通態(tài)壓降呈負溫度系數(shù)，因此最好對IGBT進行15％～20％的降額使用。
3 并聯(lián)技術整體設計
根據(jù)上述設計原則，本文設計了一個額定容量為250kVA的電路，三相交流輸出線電壓為380V，交流輸出相電流為380A，為滿足三相變流器在380V交流電壓下PWM整流器工作模式的需要，直流環(huán)節(jié)電壓設計為700V，整體設計結構如圖1所示。
圖1 電路整體結構電氣圖
電路將IGBT模塊、控制單元、驅動單元、直流支撐電容(C10)、均流電感(L1～L9)、吸收電容(C1～C9)、兩個交流電流傳感器(x1、x2)、兩個交流電壓傳感器(LV-2、LV-3)、一個直流電壓傳感器(LV-1)、共模磁環(huán)等變流器所需的重要零部件集成在一起，組成一個功能相對比較完整和獨立的模塊。
電路的每相半橋電路由3個并聯(lián)的IGBT半橋電路組成，每個IGBT半橋電路的中間引出端通過均流電感并聯(lián)在一起，以提高每個IGBT半橋單元的動態(tài)均流效果。
IGBT模塊的正負端通過復合母排連接到直流支撐電容的兩極上。選用復合母排不但有助于減小IGBT開關過程產(chǎn)生的過電壓，而且還可以降低電磁干擾，提高電路的電磁兼容(EMC)性能。
下面簡單介紹并聯(lián)設計中的IGBT管子參數(shù)選擇方法，因為IGBT是最為重要的器件，成功與否在與這個管子是否好使。
3.1 所有IGBT飽和壓降測試
工欲善其事，必先利其器！手頭上最好要有IGBT參數(shù)測試，測試IGBT的飽和壓降Vsat。
圖2 IGBT的飽和壓降曲線
由于IGBT的特性，如果飽和壓降差別過大，會出現(xiàn)正反饋現(xiàn)象。這里需要將IGBT的不一致參數(shù)盡量壓縮小，上圖的參數(shù)中，測試精度要求為mV級別，最好選擇參數(shù)一致達到100mV內的管子。
測試過程中，需要注意的事情：
第一：測試環(huán)境溫度保持恒定。
第二：測試使用脈沖電流，減小IGBT自身熱量，減小IGBT自身的溫度提高。
第三：測試使用自動模式測試，使用測試點頻率一致的測試調節(jié)。
參考儀器：IGBT-1200A。
3.2 所有IGBT內建二極管飽和壓降測試
在使用同樣的方法，測試內建二極管飽和壓降，他的壓降不同會導致靜態(tài)電流時，出現(xiàn)溫度升高不一致的情況。首先將IGBT的控制端G和E短路，保證IGBT斷開，測試方式在使用測試IGBT飽和壓降的方法測試內建二極管的飽和壓降。賽選的閾值設定依舊需要控制在100mV。
參考儀器：IGBT-1200A。
3.3 所有IGBT內建二極管反向恢復時間測試
內建二極管的速度也是困擾并聯(lián)的一個重要因素。這個內建二極管或者寄生二極管的速度如何，如果速度快，那就相當beauty了，但是如果速度慢，那就悲哀了，還需要外接一個大容量，高速的二極管，麻煩呀，官方給定的資料不夠，看不出內建二極管的速度。
參考儀器：DI-100二極管反向恢復測試儀，測試這個IGBT的內建二極管速度。
測試結果給大家分享一下，如下圖。
圖7二極管反向恢復電流斜率 圖8 二極管反向恢復時間
綜上可以看出
| 實測數(shù)據(jù) |
器件標稱參數(shù) |
| 測試反向電壓：300V 二極管正向導通電流：1.18*10=11.8A 二極管反向恢復電流：0.48*10=4.8A 二極管反向恢復電流斜率：12A/480nS=25A/uS 二極管反向恢復時間：280nS |
官方數(shù)據(jù)手冊并未給出反相恢復時間曲線和數(shù)值。 |
4.試驗結果及分析
為測試硬件電路設計的正確性和控制系統(tǒng)工作的可靠性及電路在大容量工作下的穩(wěn)定性，作者搭建了無功并網(wǎng)實驗平臺，實驗電路如圖9所示。
圖9無功并網(wǎng)實驗電路圖
電路三相電流(Ia、Ib、Ic)及BC相電壓(Ubc)如圖10所示，三相電流相位互差120°，電流峰值535A，諧波含量少、波形呈明顯的正弦曲線；Ib相位超前Ubc相位60°，由相電壓與線電壓相位關系得，Ib相位超前Ub相位90°，為無功并網(wǎng)實驗，運行容量250kVA。
圖10無功并網(wǎng)實驗波形
無功并網(wǎng)實驗表明，電路硬件系統(tǒng)設計合理、控制系統(tǒng)運行正常、系統(tǒng)重要部件溫升均符合工作要求，電路可以長期穩(wěn)定地運行在250kVA容量下。
5.結語
本文在理論研究的基礎上，研制出一個額定容量為250kVA的電路。它將中間支撐電容、傳感器、IGBT、驅動單元、散熱裝置和控制系統(tǒng)等變流器所需的重要器件集為一體，具有功能獨立、結構緊湊、性價比高、功率等級便于進一步提高等優(yōu)點。實驗結果表明該電路設計合理、運行可靠、滿足各項設計指標、具有很高的應用和推廣價值。
本文作者創(chuàng)新點：本文在電路設計過程中，引入了數(shù)項創(chuàng)新技術。例如，采用均流電感法提高并聯(lián)IGBT的動態(tài)均流效果，且均流電感采用套磁環(huán)的方法設計；正負母排采用復合母排法設計，大大降低了電路中的雜散電感；實驗方法采用無功并網(wǎng)法，在保證實驗可靠、有效的情況，大大簡化了實驗平臺，節(jié)約了實驗費用。
參考文獻:
[1] 王寶歸 曾國宏. 基于IGBT并聯(lián)技術的PEBB設計[J].
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