應用于大容量變換器的IGBT并聯技術

王雪松 趙爭鳴 袁立強 魯 挺

（清華大學電機工程與應用電子技術系電力系統及發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室 北京 100084）

1 引言

隨著電力電子技術朝大容量、高性能方向發展，變換器對大電流、高開關速度的半導體器件的需求愈加強烈。受成本或技術因素的限制，在大容量變換器中半導體器件往往需要并聯使用。為了同時滿足大電流和高開關速度，IGBT的并聯應用技術受到了人們的關注，成為器件應用研究的熱點之一[1-9]。

國內外關于IGBT并聯技術的現有研究大部分采用仿真的手段進行分析[2-4]，少數研究工作進行了實際并聯實驗測試，并有文獻針對器件開關動作的同步性做了深入研究，提出了基于門極信號同步控制的主動均流控制方法[5-7]。然而，并聯器件在實際變換器中由于溫度不平衡引起的電流分配不平衡，是無法通過門極信號同步方法解決的。

在采用風冷系統的變換器散熱器上，垂直于風路的方向上存在溫度差別，并聯器件需要工作在不同的結溫下，這種熱不平衡為大容量變換器中開關器件的并聯應用帶來了影響。針對在熱不平衡條件下大功率IGBT的并聯應用，本文對受溫度影響的器件參數進行了理論分析和實驗研究，對由溫度引起的并聯器件之間的電流分配差異進行了實驗研究。重點分析了熱不平衡對器件并聯應用的影響和補償方法，并進行了相關實驗研究，提出了一種基于調節門極電壓和門極電阻實現均流控制的門極驅動主動控制電路。在研究器件并聯的過程中，挖掘器件的最大潛力，提高并聯器件輸出電流能力對降低變換器成本及提高可靠性也是至關重要的。

本文針對大功率IGBT的并聯應用技術進行了研究，基于對兩只IGBT并聯應用的研究進而實現了四只IGBT并聯，總輸出電流超過2kA，并將該研究結果有效地應用到一臺實際的315kW、380V變頻器樣機中。

2 IGBT并聯理論分析

實現多只器件并聯均流的理想條件是，并聯的器件具有相同的導通電阻，相同的導通和截止速度，同步的門極開關信號，對稱的負載電路和對稱的換流回路。對于采用相同型號相同批次的器件并聯來講，決定并聯器件間靜態電流分配的主要因素是器件的導通電阻。導通電阻的差異會引起并聯器件靜態電流分配的不均衡，而影響器件導通電阻差異的主要因素包括結溫和門極驅動電壓。決定并聯器件間動態電流分配的主要因素則是器件導通和截止動作的同步性，受到器件多個動態特征參數和外電路參數的綜合影響[10-14]。

在實際設備中，選取相同批次的器件作并聯應用基本上可以解決器件參數差異的問題，通過合理設計變換器的結構可以解決負載電路和換流回路的對稱問題。然而，在采用風冷系統變換器的散熱器上，垂直于風路的方向上存在溫度差別，這種熱不平衡會為大容量變換器中開關器件的并聯應用帶來了影響[15]。由熱不平衡帶來的器件并聯應用問題往往會被忽視，本文重點針對熱不平衡對器件并聯應用的影響進行理論分析和實驗研究。

2.1 并聯器件的靜態參數分析

IGBT的主要靜態特征參數包括：VCE(sat)為器件的通態飽和壓降，VCES為器件的阻態集射極電壓，IC(nom)為可重復截止最大電流，VGE(th)為器件的導通閾值電壓。參數VCE(sat)和VGE(th)是影響并聯器件靜態均流的關鍵參數。閾值電壓的數學表達如下：

其中，用于表征費米能級的參數φFB是關于器件結溫Tj的增函數

閾值電壓VGE(th)關于器件結溫Tj的導數為

因此，器件的閾值電壓會隨著結溫的升高而略為下降。

器件的通態飽和壓降是流過器件的通態電流在其導通電阻上產生的電壓降

IGBT的導通電阻Rm由四部分組成：溝道電阻Rch、積累層電阻Ra、JFET電阻Rj以及外延層電阻Repi。其中，積累層電阻Ra和JFET電阻Rj與器件的制造工藝有關，外延層電阻Repi會隨器件的結溫升高而略為增大。而占導通電阻主要成分的溝道電阻Rch受門極導通電壓和器件結溫的影響

式中，L為器件的溝道長度；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表示單位面積的柵氧化層電容。

溝道反型層電子的遷移率μns是關于結溫Tj的減函數

因此，隨著器件結溫的升高，器件的導通電阻會逐漸增大。

并聯器件的靜態電流分配取決于器件的導通電阻。由于器件在電路上是并聯關系，所以導通電阻較小的管子分配到的電流要大一些。并聯IGBT模塊的靜態電流分配不平衡，往往會使得并聯IGBT的通態損耗存在差異。提高器件的門極導通電壓VG,on可以使器件的導通電阻降低。基于此，可以實現對并聯器件靜態均流的控制。

2.2 并聯器件的動態參數分析

并聯IGBT的導通過程電流上升沿和截止過程電流下降沿的不同步，會使得并聯IGBT模塊的動態電流分配不平衡。相對于器件處于導通穩態或截止穩態來講，器件在導通瞬態和截止瞬態所承受的電應力更大。因此，從保護器件安全運行的角度出發，并聯IGBT模塊的動態均流顯得更為重要。

IGBT的動態特征參數主要包括：td(on)為導通延遲，tr為上升沿時間，td(off)為截止延遲，tf為下降沿時間。以上這四個參數都直接影響到并聯器件開關動作的同步性，因此對并聯器件的動態均流影響比較大。尤其是參數td(on)和td(off)，對于應用同一觸發信號的并聯器件來說，它們是直接決定動態均流特性的參數。并且，這兩個參數都與導通閾值電壓VGE(th)和門極導通電壓VG,on有關。

在IGBT導通的第一階段，在門極-發射極電壓vGE達到導通閾值電壓VGE(th)之前，導通電源VG,on通過門極電阻RG向電容CGE和CGC充電，此時有

其中，時間常數τ1為

電容CGC對電壓有依賴性，它會隨著電壓的下降而增長，所以電容CGC在IGBT截止狀態和導通狀態下差別很大，從而往往器件的導通延遲與截止延遲會有較大差異。

在IGBT導通的第二階段，VGE超過了MOS晶體管的導通閾值電壓VGE(th)，此時開始產生集電極電流iC，第一階段的整個時間被稱為導通延遲td(on)。與MOSFET相類似，td(on)為

導通延遲td(on)關于器件結溫Tj的導數為

因此，器件的導通延遲會隨著器件結溫Tj的升高而增大。同時，隨著門極電阻RG的增大，導通延遲同樣會增大；而隨著門極導通電壓VG,on的升高，導通延遲會略為減小。

與導通過程相類似，在IGBT截止的第一階段，IGBT的門極開始通過電阻RG放電，此時有

其中時間常數τ2為

由于電容CGC對電壓的依賴性，τ2遠遠大于導通時間常數τ1。截止延遲td(off)具有與導通延遲相同的特性，受到結溫Tj、門極電阻RG和門極導通電壓VG,on的共同影響。并聯器件的動態電流分配不均衡主要原因是器件的開關動作不同步。以雙管并聯為例，領先導通的管子承受的導通電流大于滯后導通的管子；滯后截止的管子所承受的截止電流大于領先截止的管子。基于以上分析，通過調整驅動電路的參數可以改善并聯器件開關動作的同步性，從而實現并聯器件動態均流。

2.3 外電路參數的影響分析

并聯器件的負載回路不對稱，往往是由變換器主電路的布局與結構設計之間的矛盾造成的，而負載回路不對稱會導致并聯器件間的電流分配不均衡，這是顯而易見的。通過對主電路輸出銅排結構的合理設計，可以實現對稱的負載回路。

不考慮吸收電路的影響，對于兩電平變換器來講，對并聯器件換流回路影響較大的是變換器直流母線的雜散電感。以IGBT在導通換流時電流的上升過程為例，器件的電流可以由下式描述：

式中，gm為器件的跨導；Lσ為并聯IGBT所在支路的雜散電感。由于主電路直流母線結構的影響，并聯器件所在支路的雜散電感會存在一定的差異，從而并聯器件有著不同的電流上升率，動態電流分配將不會均衡。電流上升率較大的器件要承受更大的電應力。

由于元器件布局的限制使得并聯器件所處的位置無法做到完全對稱，因而對于每個并聯的器件，其所在的換流支路的雜散電感會存在差異。盡管變換器主電路的直流母線廣泛采用了層疊結構，通過對層疊母線結構的改進可以整體地降低母線帶來的雜散電感，從而降低參數的差異，然而雜散電感差異帶來的對并聯均流的影響卻是不可忽略的。

并聯器件換流支路雜散電感差異對并聯電流分配的影響主要體現在動態均流特性，通過對并聯器件驅動電路的參數調整，可以補償動態電流的不平衡，進而實現對并聯器件均流的主動控制。

2.4 門極主動控制電路

基于上述分析，并聯器件的靜態均流主動控制可以通過調節驅動電路的門極導通電壓實現，而動態均流可以通過調節門極電阻實現。門極驅動主動控制電路的基本結構如圖1所示。

圖1 門極驅動主動控制電路Fig.1 Gate driving circuit for active control

并聯器件的門極驅動電壓通過開關電源的占空比調節實現，由控制器產生門極導通電壓的目標參考值來控制。而針對門極電阻的阻值的調節，一般難以找到可以線性調節控制的電阻類器件，因此驅動電路的門極電阻可以通過對排阻的開關狀態控制予以調節。用于輸出電流反饋分析的電流傳感器需要基于羅氏線圈實現。

3 IGBT開關特性的實驗

開關特性是影響器件并聯使用的重要因素，如前文所述，能夠影響器件開關特性的因素又包括驅動電路的門極電阻、門極電壓、器件的結溫以及器件所在換流回路的雜散電感。通過主動改變這些參數，可以考察器件開關特性的變化特征，有助于分析器件并聯使用情況下的電流分配。在實際的315kW、380V變換器中采用了英飛凌公司生產的IGBT模塊（型號為FF450R12ME3），規格1200V、450A。因此，對開關特性的分析同樣基于此型號的器件進行了相關的系列實驗。

3.1 門極電阻的影響

驅動電路的門極電阻不影響器件的通態飽和壓降，但是門極電阻參數的變化對器件的動態特性影響顯著。器件的導通延遲、截止延遲、上升沿時間和下降沿時間都直接與門極電阻相關。

由于器件生產工藝的不同，使得不同廠商、不同規格和不同型號的器件具有不同的適用門極電阻范圍。在應用過程中，過小的門極電阻容易引起導通過程中電流的振蕩；過大的門極電阻則容易引起截止過程中電壓和電流同時振蕩。在合適的門極電阻范圍內，通過改變門極電阻的阻值可以改變器件的動態參數。

在環境溫度30℃，直流母線電壓600V，電流450A的條件下，改變驅動電路的門極電阻，測試器件的開關波形。根據實測波形進行計算，可以得到門極電阻對器件動態參數的實際影響，實驗結果如表1所示。

表1 門極電阻對器件參數的影響Tab.1 Characteristic parameters with different gateresistance

根據表1所示實驗結果可以看出，隨著門極電阻阻值的增加，器件的截止延遲td(off)隨之單調遞增。據此，在器件并聯使用的情況下，可以通過改變并聯器件各自驅動電路的門極電阻來實現對器件并聯動態均流的主動控制。

3.2 門極導通電壓的影響

驅動電路的門極導通電壓幾乎可以影響器件的全部工作特性，在合適的門極電壓范圍內，通過調節門極導通電壓可以直接改變器件的溝道電阻。在使用過程中，過高的門極電壓容易造成柵極的損傷；低于導通閾值的門極電壓又會使得器件長期工作于非飽和區而造成損壞。通常實際應用中門極導通電壓調節的范圍是10～18V。

器件的輸出特性是影響并聯器件靜態電流分配的重要因素。圖2所示為使用器件測試儀器SONY Tektronix 371A對型號為FF450R12ME3的IGBT器件進行實測得到的輸出特性曲線。顯然，在輸出相同電流的情況下，隨著門極電壓的升高，器件的飽和壓降會逐漸降低，即器件的溝道電阻隨著門極導通電壓的升高而單調遞減。這意味著，器件在并聯使用時，通過分別調節器件各自驅動電路的門極電壓，可以調節器件的跨導，從而實現并聯器件的靜態均流主動控制。

圖2 IGBT的實測輸出特性曲線Fig.2 Experiment-measured output characteristic of IGBT

3.3 結溫的影響

在一個實際的風冷變換器當中，并聯的IGBT模塊被安裝在同一塊散熱器上，然而它們的熱路卻不是對稱的。沿著風路的方向上存在溫度分布，在垂直于風路的方向上同樣存在溫差，最差的情況下溫差甚至可以達到25℃。在這樣的使用條件下，結溫差異對并聯器件的影響不可以忽略[15,16]。

器件的大部分特征參數都是對結溫非常敏感的，影響到器件并聯的幾個關鍵參數同樣受到器件結溫的影響。隨著結溫的升高，器件的導通電阻會增大，而器件的導通延遲和截止延遲同樣會隨之增加，從而影響并聯器件的靜態均流和動態均流。

圖3 實測不同結溫下IGBT的截止電流波形Fig.3 Switching waveforms of IGBT with different junction temperatures for measuring the characteristics parameters

圖3 所示為實驗實測的5條不同結溫下的開關波形，結溫從30℃到70℃遞增，鄰近曲線結溫相隔10℃。結溫的升高使得影響器件并聯應用的兩個重要參數td(on)和td(off)都不同程度的隨之增加。這樣，在不作任何調整的情況下，存在結溫差別的并聯使用的IGBT模塊將承受不同的電應力。結溫較高的器件將承受較大的截止電流，而結溫較低的器件將承受較大的導通電流。

表2是基于圖3所示的實驗，從結溫30℃到75℃分別測試多個波形，計算得到的實際器件工作在直流母線電壓550V，負載電流400A的情況下的動態參數。導通延遲和截止延遲隨結溫的變化趨勢是顯而易見的。這種由結溫差異引起的器件并聯不均流同樣可以通過分別調節器件各自驅動電路的門極電壓和門極電阻實現并聯器件的主動均流控制。

表2 器件特征參數隨結溫的變化情況Tab.2 Characteristic parameters at different junction temperatures

4 大功率IGBT并聯實驗

4.1 并聯實驗平臺

對于大多數電壓型電力電子變換器來講，實現能量變換的基本單元電路拓撲是相同的，它們都是通過兩個同時動作的開關器件實現換流。因此，通過分析變換器中的基本單元電路可以了解變換器中全部開關器件的工作狀況。圖4和圖5分別為用于研究并聯器件電流分配情況的實驗平臺和測試電路。實驗平臺能夠模擬實際變換器中并聯器件存在結溫溫差的工作環境，研究對象是兩只同型號的并聯器件，作為多只器件并聯的研究基礎。

圖4 器件并聯實驗平臺Fig.4 Schematic diagram of the platform for testing parallel-connected IGBT modules

圖5 器件并聯測試電路Fig.5 Schematic of the circuit for testing the IGBTs in parallel

實驗平臺包含機械結構、溫度控制、脈沖控制和電流測量四個部分。實驗平臺的機械結構能夠保證并聯器件換流回路的對稱性。在固定器件的金屬砧板上有一條5mm的縫隙，用于阻隔兩部分砧板間的熱傳遞，便于并聯器件溫度的分別控制。砧板的溫度控制由一個雙路溫度控制器實現，當溫度穩定后器件的結溫與砧板的溫度相同。器件并聯電流分配的測試采用雙脈沖測試方法，即第一個脈沖用于控制電流達到測試所需的數值，第二個10μs的脈沖用于并聯器件開關特性的測試。測試過程中產生的損耗對結溫的影響可以忽略不計，認為所測波形的結溫于金屬砧板的溫度相同。電流測試使用了基于羅氏線圈的高帶寬電流探頭。

在相同結溫、使用相同門極電阻和相同門極導通電壓的情況下，基于上述測試平臺可以實現器件并聯的自均流，實測波形如圖6所示，用于后續實驗波形的對比分析。

4.2 雙管并聯均流控制實驗

圖6 相同結溫下并聯器件的自均流Fig.6 Waveforms of balanced current of the parallel-connected IGBT modules with same temperature

并聯器件使用相同的門極電阻1.7Ω，直流母線電壓600V，器件截止電流420A左右的情況下，控制并聯器件VT1和VT2的結溫分別為38.1℃和50.4℃，即溫差為10℃左右時，器件的靜態電流差異達到了26A，同時截止電流峰值差異達到了15A，如圖7a所示。結溫較高的器件需要承受更高的截止電流峰值，在工業應用當中這是不合理的。此外，電流的不均衡程度幾乎只與并聯器件的結溫溫差相關，而不隨環境溫度改變。并且隨著結溫差異的增大，并聯器件的靜態電流與動態電流分配差異也隨之增大。

圖7 門極電阻調節對截止電流均衡的控制Fig.7 Transient current balancing between parallel-connected IGBT modules with thermal imbalance

調節器件的門極電阻，將結溫較高的VT2管的門極電阻減小到1.5Ω，在同樣的溫差測試條件下（VT1和VT2的結溫分別為38.9℃和51.5℃），實現了存在結溫差異的并聯器件截止峰值電流均衡，實驗波形如圖7b所示。

限于目前的實驗狀況，通過調節門極導通電壓控制并聯器件均流的實驗目前尚無法完成。

4.3 四管并聯電流測試

在實際的315kW、380V變頻器樣機當中，主開關器件由四只型號為FF450R12ME3的IGBT模塊并聯實現。為檢測并聯器件的分斷電流能力，基于該變換器樣機的主功率電路進行了電流能力檢測實驗。

實驗環境溫度為25℃，直流母線電壓600V，基于圖5所示的測試電路發送連續脈沖，直到觸發預設的過電流保護，測定負載電流的最大值，實驗結果如圖8所示，并聯器件能夠可靠截止2 300A的負載電流，為變換器系統的穩定運行提供保障。

圖8 變換器中四管并聯的電流能力測試Fig.8 Current capacity test of four IGBT modules connected in parallel for the converter prototype

4.4 變頻器帶電動機實際運行測試

為檢測變頻器樣機主功率電路的實際帶載能力，實驗中多次測試了變頻器帶315kW、380V異步電動機的起動過程。在直流預勵磁[17,18]之后，通過控制器逐步提高起動電壓以增大電機的起動電流，進行多次起動實驗直到觸發變頻器的預設過電流保護。

測定的變頻器帶電機負載最大起動電流可以達到2kA，散熱器溫度為45℃，實測起動電流波形如圖9所示。

圖9 變頻器帶315kW電動機起動電流波形Fig.9 Starting current waveforms of the converter prototype with the load of a 315kW motor

變頻器帶電機起動以后逐漸加載，同時改變電機的運行頻率，最終使變頻器在22Hz滿電流（有效值750A）的狀態穩定運行，測試系統的溫升曲線，實驗結果如圖10所示。溫度測試點TC1選在散熱器中央位置的IGBT模塊附近，溫度測試點TC2選在與之相距較遠的IGBT模塊附近。盡管變換器的散熱風路已經做過優化設計，在溫度穩定以后散熱器上測點的溫差還是在10℃左右。因此，對在此種環境下運行的并聯器件均流控制是十分必要的。

圖10 變頻器帶315kW電動機低頻滿載溫升曲線Fig.10 Temperature curves of the converter prototype with the full load of a 315kW motor at 22Hz

5 結論

采用風冷系統的變換器散熱器上，垂直于風路的方向上存在溫度差別，這種熱不平衡為大容量變換器中開關器件的并聯應用帶來了影響。本文針對熱不平衡對器件并聯應用的影響對并聯器件的靜態均流、動態均流以及外電路參數的影響進行了理論分析和相關的實驗研究，總結了運行溫度差異對并聯器件電流分配的影響規律，這種影響在工業應用中是不可以忽略的。

基于對熱不平衡對器件并聯應用的理論分析和實驗研究，本文提出了一種基于調節門極電壓和門極電阻實現均流控制的門極驅動主動控制電路，應用這種方法可以解決熱不平衡對器件并聯應用帶來的問題，實驗驗證了該方法的有效性和可行性。

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