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IGBT并聯(lián)技術(shù)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(shè)計的大功變流器，結(jié)構(gòu)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(jìn)行模塊化設(shè)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(shù)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(dǎo)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(fù)特性（反向恢復(fù)時間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr等）主要影響動態(tài)均流效果。
2) IGBT驅(qū)動電路參數(shù)的影響并聯(lián)IGBT的門極驅(qū)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(qū)動信號的變化率、門極驅(qū)動電阻Rg、驅(qū)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(jié)構(gòu)的影響主電路的結(jié)構(gòu)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(shù)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(qū)動電路通過IGBT驅(qū)動電路參數(shù)的合理設(shè)計和共用同一驅(qū)動電路，可以提高IGBT開關(guān)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(qū)動回路須保持最小回路漏感及嚴(yán)格的對稱布局，模塊應(yīng)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(guān)過程中的電流變化率，可以大大減小由于開關(guān)過程的差異造成的電流不均衡，通過均流電感的合理設(shè)計可以確保并聯(lián)IGBT的動態(tài)均流效果滿足設(shè)計要求。
5) 降額使用：即使IGBT模塊的選擇、共用驅(qū)動電路和優(yōu)化布局已達(dá)到最優(yōu)，但其靜態(tài)和動態(tài)性能仍然不可能達(dá)到理想的均衡。更為重要的是，IGBT模塊內(nèi)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(fù)溫度系數(shù)，因此最好對IGBT進(jìn)行15％～20％的降額使用。
3 并聯(lián)技術(shù)整體設(shè)計
根據(jù)上述設(shè)計原則，本文設(shè)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(shè)計為700V，整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 電路整體結(jié)構(gòu)電氣圖
電路將IGBT模塊、控制單元、驅(qū)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(fù)端通過復(fù)合母排連接到直流支撐電容的兩極上。選用復(fù)合母排不但有助于減小IGBT開關(guān)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(shè)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(dá)到100mV內(nèi)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(diào)節(jié)。
參考儀器：IGBT-1200A。
3.2 所有IGBT內(nèi)建二極管飽和壓降測試
在使用同樣的方法，測試內(nèi)建二極管飽和壓降，他的壓降不同會導(dǎo)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(nèi)建二極管的飽和壓降。賽選的閾值設(shè)定依舊需要控制在100mV。
參考儀器：IGBT-1200A。
3.3 所有IGBT內(nèi)建二極管反向恢復(fù)時間測試
內(nèi)建二極管的速度也是困擾并聯(lián)的一個重要因素。這個內(nèi)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(dāng)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(nèi)建二極管的速度。
參考儀器：DI-100二極管反向恢復(fù)測試儀，測試這個IGBT的內(nèi)建二極管速度。
測試結(jié)果給大家分享一下，如下圖。
圖7二極管反向恢復(fù)電流斜率 圖8 二極管反向恢復(fù)時間
綜上可以看出
| 實測數(shù)據(jù) |
器件標(biāo)稱參數(shù) |
| 測試反向電壓：300V 二極管正向?qū)娏鳎?/span>1.18*10=11.8A 二極管反向恢復(fù)電流：0.48*10=4.8A 二極管反向恢復(fù)電流斜率：12A/480nS=25A/uS 二極管反向恢復(fù)時間：280nS |
官方數(shù)據(jù)手冊并未給出反相恢復(fù)時間曲線和數(shù)值。 |
4.試驗結(jié)果及分析
為測試硬件電路設(shè)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(guān)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(shè)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(jié)語
本文在理論研究的基礎(chǔ)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(qū)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(jié)構(gòu)緊湊、性價比高、功率等級便于進(jìn)一步提高等優(yōu)點。實驗結(jié)果表明該電路設(shè)計合理、運行可靠、滿足各項設(shè)計指標(biāo)、具有很高的應(yīng)用和推廣價值。
本文作者創(chuàng)新點：本文在電路設(shè)計過程中，引入了數(shù)項創(chuàng)新技術(shù)。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(shè)計；正負(fù)母排采用復(fù)合母排法設(shè)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(xiàn):
[1] 王寶歸 曾國宏. 基于IGBT并聯(lián)技術(shù)的PEBB設(shè)計[J].
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