Особенности проектирования параллельного соединения модулей IGBT

Вопросы применения IGBT-модуля при параллельном включении

Из-за высокой стоимости производства цена IGBT-модуля 1200 В свыше 400 А на рынке достаточно высока. Что касается стандартного модуля 1200 В 200–400 А в корпусе 62 мм, то благодаря относительно зрелой технологии, стабильному качеству продукции, хорошей взаимозаменяемости и простоте замены на данном этапе наиболее экономичным решением является параллельное включение нескольких стандартных IGBT-модулей для увеличения допустимого тока. Однако из-за разброса параметров самих IGBT и возможной асимметрии, вызванной компоновкой схемы, параллельное проектирование IGBT-модулей — задача непростая. Неправильный выбор компонентов при параллельном включении может легко привести к отказу устройства и повреждению цепей основной системы. Поэтому в данной статье, опираясь на успешный опыт применения у заказчика и испытательное оборудование на заводе, подчеркивается важность использования согласованных IGBT-модулей при параллельном проектировании.

Модули, как правило, уже свыше 100 А, сами по себе состоят из нескольких кристаллов, соединенных параллельно. Хотя производители могут использовать кристаллы с одной пластины для параллельного соединения, чтобы уменьшить разброс параметров самого модуля, все же необходимо учитывать индивидуальные различия между параметрами получившихся модулей. В то же время симметрия схемы оказывает очень важное влияние на параллельную работу, что можно рассмотреть с двух сторон — статической и динамической — через различия в параметрах и различия в симметрии схемы.

Факторы, влияющие на параллельную работу модулей и статическое распределение тока

В реальных условиях работы IGBT-модуль в основном находится в состоянии проводимости и в переходных процессах переключения, при этом стадия проводимости длится относительно долго и ток велик. Именно эта часть оказывает большое влияние. Начнем со статического режима проводимости.

1.1. Основные причины, влияющие на равномерное распределение тока при параллельной работе модуля, следующие 4 пункта

A) Влияние насыщенного падения напряжения Vce(sat)

B) Влияние асимметрии импеданса параллельной силовой цепи

C) Влияние напряжения управления затвора Vge

D) Влияние порогового напряжения Vth

E) Влияние прямого падения напряжения диода Vf

1) Проблемы, связанные с различием Vce(sat) при параллельном включении:

Во многих случаях обычная точка зрения такова, что Vce(sat), возникающее при протекании тока через IGBT, — это фиксированная величина, и это заблуждение. Vce(sat) на самом деле относится к падению напряжения, возникающему при номинальном токе. Для IGBT падение напряжения в проводящем состоянии при одном и том же Vge является функцией тока.

Для двух IGBT, соединенных параллельно, падение напряжения, возникающее при включении в установившемся режиме, одинаково. Таким образом, равномерность распределения тока зависит от различий в выходных характеристиках различных параллельно включенных IGBT.

На рисунке 1 показано различие в распределении тока у двух параллельно включенных IGBT с разными выходными характеристиками (при одинаковом Vce двух IGBT в параллели).

Рисунок 1. Состояние IGBT после выравнивания тока при параллельном включении с разными выходными характеристиками

Рисунок 2. Схематическая диаграмма выравнивания тока при параллельном включении

V, показанные на рисунке 1, обозначают T1 и VT2 — два одинаковых IGBT, соединенных параллельно. На рисунке 2 показано, что выходные характеристики двух IGBT немного различаются. iC1 и iC2 соответственно для VT1 и VT2 при одинаковом падении напряжения на приборе (UCE1=UCE2) — коллекторный ток ниже I, где I обозначает номинальный ток данного типа IGBT; Vcesat1 и Vcesat2 обозначают насыщенное падение напряжения двух IGBT при номинальном токе. Можно приблизительно считать, что:

R1=（Vce sa t 1-Vo1)/I        (1)

R2=（Vce sa t 2-Vo2)/I        (2)

UCE1=Vo1+R1×iC1(3)

UCE2=Vo2+R2×iC2(4)

При параллельном включении UCE1=UCE2=Uce, тогда

iC1=（ Uce-Vo1 ）/R1=（ Uce-Vo1 ）×I/（Vcesat1-Vo1)

iC2=（Uce-Vo2）/R1=（Uce-Vo2） ×I/（Vcesat2-Vo2)

Поскольку эти два IGBT относятся к одному и тому же типу, Vo1 = Vo2 = Vo, тогда

Следовательно, если ток двух параллельно включенных IGBT-модулей равен I, ток каждого из двух IGBT-модулей с разным Vce можно рассчитать следующим образом:

iC 1=（ Uce-V o1 ）/R 1=（ Uce-V o1 ）×I/（Vcesa t 1-V o1)=（Uce-V o ）×I/（Vcesa t 1-V o ) iC 2=（Uc e-V o2）/R 1=（Uc e-V o2）×I/（Vc e s a t 2-V o2)=（Uc e-V o ）×I/（Vc e s a t 2-V o )

Возьмем для примера наиболее распространенный GD200HFL120C2S:

Предположим, что большее значение Vcesat1 составляет 2,5 В (125 ℃), а меньшее значение Vcesat2 — 2,1 В (125 ℃),

Vo = 0,8 В

Принимая большее значение Vcesat1Is 2,2 В, а меньшее значение Vcesat1For 2,1 В, см. проверку по техническому руководству.

Типичное значение Vo to is = 0,8 В

Если разница Vcesat составляет 0,1 В, даже при требуемом выходном токе параллельного модуля io = 200 А разница тока у нижнего модуля IGBT при другом Vce(sat) составляет 6 А. На практике потери будут выше, чем у другого модуля IGBT, хотя кристалл IGBT работает при большом токе.

Он имеет положительный температурный коэффициент, поэтому при параллельном соединении двух модулей IGBT рекомендуется, чтобы разница Vce(sat) не превышала 0,2 В. Если этого избежать нельзя, рекомендуется оставить большой запас по установившейся температуре для компенсации.

2) Неравномерное распределение тока, вызванное асимметрией импеданса силовой цепи

Рис. 2. Влияние импеданса основной цепи

Обычно считается, что разница в параллельной разводке шин приведет к появлению импеданса цепи. Поэтому, если разница Vce(sat) в модуле IGBT меньше 0,2 В, необходимо учитывать симметрию шинопровода. На самом деле влияние этой части невелико: например, в эквивалентной схеме 2 RE1 и RE2 эквивалентны последовательному соединению двух резисторов и исходной двухветвевой схеме равномерного распределения тока; если импедансы не совпадают, распределение тока будет неравномерным. Например, если RE1 > RE2, то через ветвь над RE2 неизбежно будет протекать больший ток, что вызовет разбалансировку; и наоборот. Возьмем в качестве примера GD200HFL120C2S:

Фактический ток, требуемый для параллельного модуля, i0 = 200 А; каждый модуль фактически работает на 100 А, а падение напряжения на реальном модуле Uce = 1,7 В.

Предположим, что площадь поперечного сечения медной шины составляет 4×10^-5 м², длина шины модуля 1 — 0,8 м, длина шины модуля 2 — 0,6 м, а удельное сопротивление при 30 °C равно 1,8×10^-8 Ом·м.

По сравнению с влиянием Vce(sat), влияние асимметрии силового контура при статическом анализе относительно невелико. Однако шина также вносит индуктивность выводов, что оказывает большое влияние на динамическое распределение тока; это будет подробнее рассмотрено далее.

3) Влияние напряжения управления затвором Vge

Ток IC, протекающий через модуль IGBT, управляемый напряжением затвора Vge, создает падение напряжения Vce, которое связано не только с протекающим током Ic и указанным выше Vce(sat), но и напрямую зависит от напряжения управления затвором Vge.

И наоборот, при различном напряжении управления Vge, если Vce в параллельных плечах одинаково, ток Ic через них, естественно, будет различаться.

Рисунок 3. Выходная характеристика модуля IGBT

Из рисунка 3 хорошо видно, что

Например, при Vge = 13 В, при Vce = 2,5 В ток Ic составляет 255 А.

Например, при Vge = 15 В, при Vce = 2,5 В ток Ic составляет 285 А.

Поэтому проектированию схемы управления необходимо уделять особое внимание и обязательно обеспечивать заданное напряжение управления параллельного модуля.

Здесь следует подчеркнуть, что обсуждаемое выше напряжение затвора Vge относится к выводам затвора IGBT, а не к выходному напряжению платы драйвера; неопытные заказчики часто допускают эту ошибку. Как видно из рисунка 4, между драйверным чипом и затвором имеется резистор затвора, а также электрическое соединение от драйверного чипа к затвору IGBT — это вывод затвора, который обычно виден на оборудовании; при этом различие параметров драйверного компонента и вывода затвора будет особенно заметно в момент включения и выключения.

Это приведет к несоответствию между приложенным напряжением на затворе IGBT и выходным напряжением. В установившемся режиме это не является проблемой, поскольку затвор находится в высокоомном состоянии.

Рисунок 4. Схема драйвера модуля

4) Влияние напряжения включения Vth

Поскольку напряжение, подаваемое драйверной схемой на затвор, изменяется от отрицательного к положительному значению (если предусмотрено отрицательное смещение при выключении), ток I не может протекать через модуль до достижения напряжения затвора Vth, поэтому IGBT с меньшим Vge(th) откроется раньше и закроется позже. Поскольку этот эффект проявляется главным образом в момент включения, а из передаточной характеристики на рис. 4 видно, что ток Ic при напряжении управления Vth очень мал, то разница Vth у модулей одного типа обычно находится в пределах 0,5 В, поэтому влияние напряжения включения Vth сравнительно слабое.

5. Передаточные характеристики модуля IGBT

5) Влияние диода Vf

В инверторах и других приложениях обратнопараллельный диод модуля IGBT должен выдерживать большой ток. Влияние Vf диода на распределение тока точно такое же, как влияние Vce(sat) на распределение тока; отличие состоит лишь в том, что учитываются IGBT, на которые влияет Vce(sat), и Vf диода.

R1=（Vf-Vo1）/I  R2=（Vf-Vo2）/I  Uf1=Vo1+R1×if1 Uf2=Vo2+R2×if2

(1)

(2)

(3)

(4)

Когда Uf1=Uf2=Uf соединены параллельно, то

iC1=（Uf-Vo1）/R1=（Uf-Vo1）×I/（Vf1-Vo1）

iC2=（ Uf-Vo2）/R1=（ Uf-Vo2） ×I/（Vf2-Vo2)

Поскольку эти два диода одного типа, Vo1 Vo2 =Vo

Таким образом, если ток двух параллельно соединённых модулей IGBT равен I, ток двух модулей IGBT с разным Vce можно рассчитать следующим образом:

iC1=（ Uf-Vo1 ）/R1=（ Uf-Vo1 ）×I/（Vf1-Vo1)=（ Uf-Vo ） ×I/（Vf1-Vo) iC12=(Uf-Vo2) / R2= (Uf-Vo2) I / (Vf2-Vo2) = (Uf-Vo) I / (Vf2-Vo) Обычный модуль 150A — колонного типа,

Если большее значение Vf равно 2,2 В, а меньшее Vf равно 2,1 В, то типичное значение Vo, указанное в техническом описании, равно 1,3 В

Факторы, влияющие на параллельное динамическое распределение тока

Основные причины, влияющие на параллельное динамическое среднее распределение тока в модулях, состоят из следующих 3 пунктов

A) Динамические параметры самого IGBT

b) паразитная индуктивность цепи управления

c) паразитная индуктивность силовой цепи

1) Неравномерное распределение, вызванное собственными параметрами IGBT

Основным фактором, влияющим на равномерность тока в момент переключения, являются переходные характеристики параллельно соединённого прибора.

Рис. 3. Сравнение переходных характеристик параллельных модулей

Схема сравнения свойств двух параллельно соединённых модулей с несовпадающими переходными характеристиками показана на рис. 3. На рис. 3 при подаче одинакового управляющего напряжения V на параллельный модуль IGBT с более крутой характеристикой будет протекать больший ток, а потери при переключении также возрастут. 2) Паразитные параметры цепи управления и неравномерное распределение тока, вызванное индуктивностью

В сочетании с паразитной ёмкостью затвора IGBT паразитная индуктивность цепи управления может вызывать сильные колебания, приводящие к изменениям напряжения затвора. Паразитная индуктивность эмиттера может вызывать изменение скорости переключения.

Цепь управления затвором IGBT RG, индуктивность выводов LGLE и входная ёмкость IGBT Cin. Процесс включения и переключения представляет собой типичную реакцию последовательной цепи RLC. На рис. 4 резистор R соответствует RG, индуктивность L — катушке LG+LE, конденсатор C — входной ёмкости Cin.