大功率IGBT直接并聯應用技術研究

吳疆

摘要：介紹大功率IGBT的集中常見的并聯方式以及各個并聯方式的主要技術要領，通過對并聯技術的研究發現，IGBT并聯技術有著可靠性高、均流效果好等幾方面的優點，因此，IGBT直接并聯應用技術在市場上的應用也將越來越廣泛。這其中對于IGBT技術的研究主要包括對理論進行分析、實際應用和運行考核等幾個方面。

關鍵詞：IGBT;并聯方式;脈沖整流器

一、變流器中常用的幾種并聯方式

1.1功率模塊級并聯

所謂的模塊級并聯指的就是相同功率間的模塊進行并聯并且應用。模塊級并聯既有顯著的優點，也有顯著的缺點，模塊級并聯的優點就是它的變流器系統具有良好的魯棒性，它更多的應用于一些高要求的特殊場合，如果在工作中某個模塊出現問題，它可以保證在系統正常運行狀態下時切除出現問題的模塊。除此之外，它可以選配不同功率等級的產品，因此，它能更親近于客戶并且有較短的開發時間。從另一方面來講，并聯器需要有外置的均流電抗器，因為其本身的均流性不好，而且這種方式的保護同步性較差。IGBT器件、復合母排以及散熱器等許多部件都是由功率模塊集成的。

1.2驅動級并聯

驅動級并聯是指每一個IGBT器件都擁有屬于它自己的驅動器，而這些驅動器還是同步運行的，這主要是通過脈沖分配電路實現的。驅動級并聯的缺點就是造價高，因為每個器件都有一個驅動器，而且在出現故障時不能同步的進行保護。相比于模塊級并聯，驅動級并聯在工作時各個電路互不影響，因此，有較好的均流效果。

1.3器件級并聯

所謂器件級并聯指的就是多個器件由一個驅動器進行驅動，這種并聯方式普遍應用于小功率IGBT器件中，因為很難做到大功率IGBT的并聯。器件級并聯的方式在節約成本的同時提高了質量，因為器件級直接并聯可以使得驅動信號和故障保護一致。但是器件級并聯的缺點也很明顯，因為器件差異等多方面因素都對這個技術的效果有影響，所以技術難度相當高。本文主要針對大功率IGBT器件級并聯技術展開討論和研究。

二、大功率IGBT并聯應用的要素

2.1 IGBT直接并聯應用的器件選型

在選用并聯器件時，盡量選用同一批次生產的、型號相同的器件，因為器件的等效電阻會對均流效果產生很大的影響，此外，為了得到更好的均流效果對器件的電壓一致性的要求也較高。在選用并聯器件時還要考慮到溫度對電流的影響，盡量選用正溫度特性的器件。

2.2 IGBT直接并聯驅動器的設計

在并聯應用中對于保護和驅動信號的同步性要求較高，IGBT直接并聯的工作方式對于滿足同步性的需求具有很大的優勢。但是也有很多弊端，例如，由于電壓差異對均流效果的影響變得越來越大。因此，為了減小弊端，獨立驅動電阻更廣泛的應用于驅動器。

共射環流問題是直接并聯方式普遍存在的問題。因此為了限制震蕩，一般會對驅動器的驅動電阻進行限制，這樣做還可以使驅動電阻上產生的電壓對門極電壓起到一個調節的作用。現在有很多驅動器采用動態控制技術、平衡磁芯技術等先進技術，但是這些技術不僅損耗大，而且電路十分復雜。而本文所研究的并聯驅動器控制電路不僅電路簡單，而且可靠性高。

2.3主電路設計

為了降低分布電感的同時提高電流重合度，一般采用復合低感母排技術。此技術的核心是要保證并聯主電路對稱，一旦并聯主電路不對稱就會造成嚴重的不均流現象。

2.4散熱設計

散熱方式有很多種，可以采用風冷散熱，也可以采用水冷散熱。如果使用的是風冷散熱器，就要對風道進行良好的合計，進風口、出風口以及送風量等問題都需要考慮到其中。如果是水冷，要使散熱器和器件位置擺放合理，使得器件散熱均勻。需要特別注意的是，要考慮到水的溫度升高對其造成的影響。

三、IGBT直接并聯應用研究

3.1直接并聯電路

運用脈沖控制器、電流傳感器、電壓傳感器、電容以及直流電源和示波器等進行應用。安裝4個IGBT進行兩元件并聯，如果要用三個元件，需要增加一個探頭測量新增加支路的電流。

3.2三元件直接并聯應用

采用兩元件并聯的應用方式來進行三元件并聯應用，用前面提到的兩種并聯方式作為本次應用進行對比。應用結果顯示，驅動的均流性理想。

3.3四元件并聯

IGBT實現四元件并聯主要是通過驅動底座2AB30A17K-OA-4ED來實現的，該型號的適配板是配合著2QD30A17K-I驅動核來驅動IGBT的，它和2QD30A17K-I配合使用可以驅動全系列的IGBT，例如從600V到1200V甚至到1700V都可以用他們配合來進行驅動。除此以外，它配合2QD30A17K-I驅動核可以對雙通道的IGBT進行驅動，而且適用于各種已經封裝的IGBT，它不僅僅局限于此，還可以使用電接口和光纖接口，用戶可以根據需要選擇合適的控制接口，短路保護、欠壓保護等也都是它所具備的。

該適配板可以為光纖接頭提供一個電源，該電源的電壓為5V，除此以外，它也為2QD30A17K-I提供了一個電源。當驅動器檢測到IGBT發生短路或者柵極電壓降到保護值以下時，此時IGBT會被安全的斷開，同時傳出故障信息。當檢測到有故障時，IGBT會處于關斷狀態，只有驅動器復位之后才可以重新開始正常的工作。

3.4功率考核試驗

功率考核應用單臺容量為1.2MVA的脈沖整流器模塊，交流器由電容、復合母排和水冷散熱以及驅動控制部分幾部分組成，通過長時間的運行得到應用的結果顯示，即使通過IGBT的電流超過其額定值，交流器功率模塊也能正常運行。

四、結束語

本文通過對IGBT直接并聯方式進行了種種實驗考核，均流效果讓人滿意。IGBT的直接并聯技術是一種被廣泛應用于實際生產生活中的一種電路結構，IGBT直接并聯技術的應用具有多方面的優點，例如，它不僅有較高的頻率和較大的容量范圍，它還具有非常高的調節精度和效率。正因如此，它還應用于地鐵、電車、大功率氧化等用直流驅動的設備中。

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