IGBT并聯(lián)應用的均流探討

劉 偉

（華東電子工程研究所，安徽 合肥 230088）

1 IGBT簡介

IGBT屬于半導體器件，全稱為絕緣柵雙極型晶體管，是由電壓功率驅動的重要器件，其構成的成分為MOS與BJT，因此其既具備低導通壓降，即較大的驅動電流以及載流密度，飽和壓降低，又具備高輸入抗阻的特性，載流密度低，導通壓降大，較快的開關速度，較小的驅動功率。因具備如上兩個優(yōu)點，IGBT可以在牽引傳動、開關電源、交流電機、照明電路、變頻器等變流系統(tǒng)以及600 V的直流電壓中被廣泛應用。

2 IGBT并聯(lián)應用對均流的影響因素分析

2.1 IGBT自身特性

當電流容量不足時，不考慮經(jīng)濟因素的解決方案通常是選擇其自身的額定的電流與電壓適合于功率等級的器件。從經(jīng)濟的角度考慮，IGBT具有較小的額定電流與電壓，因此將其進行并聯(lián)同樣可以達到所需要的功率的等級，且IGBT的價格相對較低，所需要的經(jīng)濟支出較少。因此，在實際的操作中，IGBT成為了良好的選擇。但是使用IGBT還存在一個較為嚴重的問題，即均流的問題。使用IGBT進行并聯(lián)時，其自身的差異會導致并聯(lián)在一起的期間所承受的電流不同，且每個IGBT器件即使為同一廠家同一批次所生產(chǎn)，但是其仍然存在著些許的不同，因此其自然飽和壓降也會有所不同，導致在工作情況下會出現(xiàn)不同的IGBT所流通的電流不同。圖1中，兩個IGBT并聯(lián)在一起，在其工作時，兩個IGBT所承受的電流不相同[1]。

可以得出：

因為T1與T2兩個IGBT單管的自身特性存在差別，且由圖1可以得出r2＞r1，如果假設V1=V2，即可以得出Ic1=Ic2×(r2/r1)，因此T1管在與T2管并聯(lián)時，因其壓降較低，通過其的電流量更大。但是IGBT的特性會隨著溫度的提升而改變，即溫度越高，其壓降也會越高，因T1通過電流的較大，所以其溫度也會升高，在溫度升高的同時，其壓降便進行上升，通過其的電流便會減少，因此其具備自我調節(jié)的能力。圖2為FF600R06ME3隨著溫度的變化，其自然飽和壓降的變化。

圖1 兩個IGBT并聯(lián)均流與單管輸出特性

圖2 FF600R06ME3溫度的變化自然飽和壓降變化

由圖2可知，IGBT的自然飽和壓降會受到溫度的正向作用，因此當T1流通的電流大于T2時，T1的溫度便會比T2高，T1的自然飽和壓降便會趨向于T2，最終實現(xiàn)其二者的自然飽和壓相同，實現(xiàn)了流通的電流相同，即均流。但是仍需要重視IGBT的選擇，因為存在較大差異的IGBT實現(xiàn)均流的難度與時間也更大。因此，需要盡量選擇在同一廠家生產(chǎn)的同一批次的IGBT器件，從而實現(xiàn)最大化地減少其因自身差異所引起的電流不均衡的問題，也可以減少其進行自我調節(jié)的時間，對于各器件的使用壽命有極大的好處[2]。

2.2 驅動電路

在并聯(lián)使用IGBT時，還需要考慮其驅動電路，因為在并聯(lián)的IGBT中，自然飽和電壓較低的IGBT會先被導通，即其會先流通電流，以圖1為例，T1會先被導通，之后電流再流過T2，所以在一開始，T1所承受的電流與T2不同，即出現(xiàn)了不均流的情況，出現(xiàn)此問題可以以米勒平臺的箝位效應進行解釋。可以通過設計合適的驅動電路解決此問題，從而實現(xiàn)IGBT并聯(lián)時均流，如圖3所示。

由圖3可知，通過將柵極電阻分成Re與Rg，并且使用門級電阻隔離，便可以實現(xiàn)對T1與T2進行單獨供電，其中Rg1為T1供電，Rg2為T2供電。通過獨立供電便可以解決電流先流向T1的問題，實現(xiàn)T1與T2同時流通電流。而Re存在的意義可以體現(xiàn)在，當T1先流通電流時，回路雜散電感會出現(xiàn)環(huán)形電流I，I可以在Re1與Re2中作用出電壓，即Re1的電壓為VRe1，Re2的電壓為VRe2，其中T1的電壓可以被VRe1減小，因此T1被流動電流的速度就會降低，但T2的電壓可以被VRe2增加，因此T2被流通電流的速度會提升。Re通過循環(huán)電流I的流通，對T1與T2的電流進行了控制，幫助其實現(xiàn)了動態(tài)均流。

圖3 IGBT并聯(lián)均流被驅動電路影響

2.3 外圍主電路

IGBT并聯(lián)使用時，其均流還會受到外圍主電路的影響，主要體現(xiàn)于直流母線的負載差異與連接差異，如圖4所示。

通常，采用層疊母線的方法組織直流母線的結構，但是這種結構需要涉及直流母線的結構盡量保持其對稱，圖4中的（a）所示為其不對稱的情況，為了避免出現(xiàn)不均流的情況，需要對電路進行調整成如圖4中（b）所示。再者主電路側連接接頭也需要對稱處理，否則會出現(xiàn)動態(tài)電流尖峰不同，當其不對稱時便如圖4中的（c）所示一般，應當將其調整為圖4中（d）所示的連接方式，從而有效地降低電感與電阻不均而出現(xiàn)的電壓尖峰差異。

3 結 論

通過分析可知，IGBT并聯(lián)時可以對均流產(chǎn)生影響的因素為其自身的特性、驅動電路與外圍主電路，如表1所示。

通過表1可知，對于動態(tài)電流不均衡在關閉時主要對其會造成較大的影響為IGBT自身特性的結溫、驅動電流的輸出阻抗、驅動電流的柵極連線、外圍主電流的主流母線側，IGBT的飽和壓降與外圍主電路的負載側對均流無影響；在開通時主要對其會造成較大的影響為IGBT自身特性的結溫、輸出阻抗、柵極連線，主流母線側對均流的影響較小，IGBT飽和電壓與外圍電路的負載側對其無影響。對于穩(wěn)態(tài)電流不均衡在負載電流變化較快時，只有外圍主電路的負載側對均流有大的影響，自身特性的結溫與飽和壓降、驅動電路的輸出阻抗與柵極連線、外圍主電路的主流母線側均對均流無影響；當負載電流變化較慢時，IGBT自身特性的結溫與飽和壓降對均流的影響大，驅動電路的輸出阻抗與柵極連線、外圍主電路的主流母線側與負載側對均流無影響。

圖4 IGBT并聯(lián)均流被外圍主電路影響

表1 IGBT并聯(lián)應用電流不均衡