王海元，黃紹平，肖立光

(1.湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411104；2.湖南工程學院 風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104；3.北京大華無線電儀器廠，北京 100085)

IGBT并聯(lián)運行均流問題仿真分析*

王海元1，2，黃紹平1，2，肖立光3

(1.湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411104；2.湖南工程學院 風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104；3.北京大華無線電儀器廠，北京 100085)

采用IGBT并聯(lián)運行是提高變流器通流能力的有效途徑，但必須解決好并聯(lián)IGBT的電流均衡分配問題.對造成IGBT模塊并聯(lián)運行時靜態(tài)不均流與動態(tài)不均流的各種因素進行了理論分析，利用Pspice仿真工具進行了驗證.提出了相應的均流措施，并進行仿真分析，驗證了均流控制方法的有效性. 關鍵詞：IGBT模塊；并聯(lián)運行；均流；仿真分析

0 引言

在大功率變流器中，主電路所通過的電流將達到幾百甚至上千安，這就需要功率模塊具有很大的通流能力.采用IGBT模塊并聯(lián)是一種簡便的提高功率模塊通流能力的方式[1].但當IGBT模塊并聯(lián)運行時，由于特性參數的不一致或者電路設計不合理，參與并聯(lián)的IGBT模塊極易出現(xiàn)分流不均衡的情況，承受較大電流的IGBT模塊在情況惡劣時會因超出安全工作區(qū)域而損壞，繼而可能導致其它并聯(lián)模塊的過流損壞.只有在靜態(tài)(即在導通區(qū)域)和動態(tài)(即在開關切換時刻)電流均衡分布在并聯(lián)電路時，由單獨元件并聯(lián)構成的功率電路才能被有效利用.因此，為了能夠安全且最大效率的使用IGBT并聯(lián)，有必要對造成靜態(tài)及動態(tài)不均流的因素及其改善方法進行研究.

1 IGBT并聯(lián)不均流因素的仿真分析

IGBT并聯(lián)不均流可以分為靜態(tài)和動態(tài)不均流兩個方面.靜態(tài)不均流是指并聯(lián)功率模塊在流過電流穩(wěn)定時所承受的電流分布不均.動態(tài)不均流是指并聯(lián)模塊在開通和關斷時刻電流變化時所承受的瞬間電流不均.

1.1 靜態(tài)不均流原因分析

造成靜態(tài)電流不均衡的原因包括IGBT模塊固有的飽和導通壓降Vce(sat)不同、線路布局不對稱導致的模塊集射極連接線等值阻抗差異、工作環(huán)境溫度或結溫差異等[2].

(1)通態(tài)壓降的影響

在穩(wěn)定的開通狀態(tài)時，并聯(lián)的半導體元件應該表現(xiàn)出相同的正向導通電壓.電流的分布取決于模塊導通壓降Vce(sat)的差值.圖1給出了一個總電流分布在兩個并聯(lián)的IGBT模塊上電流大小，因為輸出特性曲線的不同而產生不均衡.

圖1 通態(tài)壓降不同對IGBT輸出特性比較

Ic1和Ic2分別為兩個并聯(lián)IGBT模塊集電極電流，Vce1、Vce2為其導通壓降，Vth為柵射極閾值電壓，對其輸出特性近似線性化，并考慮并聯(lián)使用時IGBT模塊導通壓降相等，可推導出：

(1)

式中，R1和R2為通態(tài)等效電阻，Vce(sat)1、Vce(sat)2為器件飽和壓降.

上式說明，有較小飽和壓降的IGBT模塊將會分得總電流中較大的部分，飽和壓降是造成靜態(tài)不均流的一個主要原因.因此，應當盡量選擇性能一致的模塊進行并聯(lián).

(2)功率回路布線不均衡

在進行IGBT并聯(lián)使用時，應該盡可能做到對稱布局布線，否則可能會導致其集電極和發(fā)射極引出線的等值電阻和雜散電感的差異.

利用Pspice對功率回路布線不均衡進行仿真分析.仿真電路如圖2所示，選取兩個完全相同的IGBT模塊，L1和L2分別為功率回路的引線雜散電感.保持其柵極控制電壓及柵極電阻完全一致，工作溫度一致，而功率回路等值電阻不同，分別取1 mΩ、2 mΩ.仿真結果如圖3所示.

圖2 PSpice仿真電路

圖3 布線不均衡時電流分布圖

由此可見，引線電阻小的回路會分配到較大的電流，Z1支路比Z2支路流過的電流大約50 A.很小的不對稱電阻即可產生很大的不均衡電流，因此在進行布線時必須保證并聯(lián)回路間的嚴格對稱.

(3)工作結溫影響

IGBT按照工藝結構有PT及NPT兩種類型.PT型IGBT的飽和壓降Vce(sat)會伴隨模塊內部PN結的溫度上升而不斷降低，即溫度系數為負.而NPT型IGBT的飽和壓降Vce(sat)會伴隨模塊內部PN結的溫度上升而不斷提高，即其溫度系數為正[3].如果某一并聯(lián)模塊由于流過較大電流，或散熱不均引起模塊溫度上升，會導致導通壓降提高，使其向溫度較低的模塊轉移，完成并聯(lián)模塊間自均流.因此，NPT型IGBT并聯(lián)使用時能夠自發(fā)形成負反饋，擁有自動均流的功能，在并聯(lián)應用中，應當盡量選擇NPT型IGBT.

2 動態(tài)不均流原因分析

IGBT并聯(lián)模塊導通和關斷時刻，較先導通或較后關閉的模塊會在瞬間流過較大的過電流，如果超過額定負荷范圍，就很有可能損毀模塊.導致動態(tài)不均流的主要因素有：器件自身參數不一致、驅動電路差異、功率回路寄生電感不同、溫度特性影響等.

(1)器件自身參數的影響

對并聯(lián)均流影響較大的IGBT自身參數主要有閾值電壓Vge(th)和IGBT柵射極之間分布電容.

采用如圖2所示電路進行仿真分析，在Z2模塊柵極連接兩個反并聯(lián)二極管，二極管導通電壓為0.7 V，用來模擬閾值電壓的不同.仿真結果如圖4所示.

由圖4可知，Z1模塊因為開通閾值電壓較低，先達到導通條件，在導通瞬間會承受較大的電流，對關斷時的不均流影響較小.

采用圖2所示電路進行仿真分析，R2變?yōu)? mΩ，在Z2模塊柵極和射極之間并聯(lián)連接一20 nF電容，模擬IGBT柵極分布電容不均所造成的動態(tài)不均流.仿真結果如圖5所示，分別為兩模塊的開通和關斷電流波形.

a)導通時刻 b) 關斷時刻

a)導通時刻 b) 關斷時刻

由圖5可見，柵射極之間電容Cge的不一致對開通時刻動態(tài)不均流有較大的影響，柵極分布電容較小的支路會率先導通流過較大的電流，這是因為隨著輸入電容的增大，會導致其充電時間常數增大，從而使柵極電壓達到閾值的時間變長.分布電容對關斷時刻的均流影響相對較小.

(2)驅動電路的影響

驅動電路對于IGBT的動態(tài)均流起著至關重要的作用.驅動信號不一致會導致柵極連接電阻及雜散電感都有可能影響支路間的不均流.并聯(lián)IGBT可由單個驅動器統(tǒng)一驅動，也可以每個模塊由各自獨立的驅動器驅動.當各自采用不同的驅動回路時，就容易產生驅動信號的不一致，會導致先開通的器件承受過電流，有可能損壞器件.采用圖2所示電路進行仿真，R2設為1 mΩ，功率回路完全相同，Z2支路的驅動電壓信號向后延遲30 ns，仿真結果如圖6所示.

由圖6可知，30 ns驅動信號延遲即會造成很大的動態(tài)電流不均.關斷時刻產生較大震蕩，先開通及后關斷的支路會有很大的電流尖峰.

柵極串聯(lián)電阻也會對IGBT導通和關斷的時間造成影響，門極的導通電路可近似等效為對柵射極電容的充電電路，電阻較大時會導致開關較慢，產生較大的動態(tài)損耗.采用圖2所示電路進行仿真分析，取R2=1 mΩ，主功率回路不變.Z2模塊的柵極電阻R5=3.3 Ω，使之比Z1支路柵極電阻大0.3 Ω.其仿真結果如圖7所示.

a)導通時刻 b) 關斷時刻

a)導通時刻 b) 關斷時刻

由圖7可知，當柵極電阻有很小差異時，即可引起較大的動態(tài)不均流.柵極電阻較小的支路開通較快，有較大的開通損耗.柵極電阻較大的支路關閉較慢，關斷損耗較大.

對柵極電感的仿真分析表明，其對并聯(lián)支路間的電流不均衡的影響較小.

(3)功率回路差異的影響

由于布局或布線的不合理，功率回路所產生的雜散電感很可能會有較大的差異.IGBT在逆變應用時開關頻率達到幾千赫甚至幾十千赫，盡管功率回路雜散電感很小(nH級)，但也會對換流產生較大的作用，引起并聯(lián)IGBT動態(tài)不均流.采用圖2所示電路進行仿真，取R3=1 mΩ，L2=50 nH.分別測取Z1、Z2模塊的集電極電流，仿真結果如圖8所示.

由圖8可知，功率回路的雜散電感差異會導致動態(tài)電流的分流不等.其值越大，IGBT模塊的導通速度越慢，因為當直流流過的電流突然增大時，在寄生電感上會生出與電流增長方向相反的電壓，阻止其上升，這就會加大導通時間.

組織學與胚胎學是醫(yī)學生必修的重要醫(yī)學基礎課程之一，學好組織學與胚胎學對于相關醫(yī)學基礎課程的學習至關重要，也為將來從事臨床工作和開展科學研究奠定基礎。因此，做好組織學與胚胎學教學工作具有十分重要的現(xiàn)實意義。然而組織學與胚胎學的課程特點是內容多，結構微觀而抽象，學生難以理解把握，更難以記憶，很容易產生畏難心理，直接影響后期的學習效果，也直接影響到生理學、病理學等相關課程的學習。因此，如何做好組織學與胚胎學教學工作，是每位專業(yè)教師應該認真思考和研究的問題。下面就結合多年來的教學實踐，談幾點教學體會。

2.1 IGBT并聯(lián)運行均流控制的仿真分析

2.1.1 器件選型及布線結構設計

器件參數不一致以及并聯(lián)結構設計對動、靜態(tài)不均流均有影響，應從以下幾個方面進行優(yōu)化設計.

(1)器件選型

為保證并聯(lián)應用所用器件參數的一致性，應當選擇同一批次、同一型號的IGBT模塊進行并聯(lián)應用.另外，由于NPT型的IGBT模塊導通壓降的溫度系數為正值，在應用中有利于支路間的自我均流，所以在應用中應當選擇NPT型IGBT模塊.

(2)驅動回路布線設計

并聯(lián)模塊間的驅動器設計的首要條件是要保證信號一致.因此，應當首選輸出電流足夠大的驅動器對其進行同時驅動，而且要做到盡可能對稱布局，到柵射極之間的導線可以使用雙絞線，減少導線雜散電感的干擾，且導線應盡可能短，長度一致.為了防止柵極和射極之間產生寄生震蕩，應當添加所用模塊廠家推薦的電阻.

a)導通時刻 b) 關斷時刻

(3)主功率回路設計

在布線時應當盡量保證功率回路引線的等值電阻、寄生電感的參數相等.因此，應當對稱布置主功率回路的元件及引線，應當使用截面積較大的扁條線或銅排進行連接，且盡量短.各功率模塊平行接近，要使用同一散熱器，以利于熱平衡.

2.1.2 降額使用

如果采用上述方法仍達不到所要求的性能，可考慮降額使用.電流靜態(tài)降額系數δs為：

(2)

式中，IT為并聯(lián)支路通過的總電流，IC為每個器件的額定電流，n為并聯(lián)器件的總數.

δs與飽和導通壓降和結溫等因素有關系.不同電壓電流等級的模塊，其廠家推薦的電流靜態(tài)降額系數也不同，若知道靜態(tài)降額系數,就可以據此得出并聯(lián)模塊可流過的總的電流.一般情況下，電流的降額系數可由下式計算[2]：

(3)

式中，x根據器件電壓等級取值，600 V、1200 V、1700 V器件x分別取0.1、0.15、0.2.

實際應用中根據情況選擇模塊數目，合理配置降額系數，可確保IGBT模塊工作在安全區(qū)域.

2.1.3 主動均流技術

在并聯(lián)支路間參數較難取得一致時，需要對其進行主動均流控制.主動均流控制方法根據對象的不同可分為靜態(tài)及動態(tài)均流控制.靜態(tài)均流的控制方法主要有串聯(lián)阻抗法和柵壓控制法.動態(tài)不均流的控制方法主要有主功率回路串聯(lián)電抗法和柵極電阻調節(jié)法等[2].以下對實用性較強的串聯(lián)阻抗法和柵極電阻調節(jié)法進行分析，并利用Pspice進行仿真驗證.

(1)柵極電阻調節(jié)法

IGBT的開通及關斷過程對于柵極而言，可以看作電壓源對電阻電容串聯(lián)電路充放電的過程.通過調整門極連接阻抗的大小即可調節(jié)其電壓的上升速度及限制開通關斷電流的變化速度di/dt，即調整柵極電阻的大小可以影響IGBT并聯(lián)的動態(tài)均流特性.IGBT柵極驅動等效電路如圖9所示.

圖9 IGBT柵極驅動等效電路

圖9中，RG為柵極電阻，Cies為柵極輸入電容(包括柵射極電容Cge和柵集極電容Cgc).導通時，正電壓對Cies進行充電；關斷時負電壓對電路放電.其充放電時間常數τ與充放電的峰值電流IGPK的表達式如下：

τ=RGCies

(4)

(5)

由式(4)、(5)可知，通過調節(jié)柵極電阻RG可調節(jié)充放電時間常數和充放電峰值電流，即可對IGBT的開通關斷的情況作出調整.在并聯(lián)模塊間出現(xiàn)動態(tài)不均流的情況時，可以通過調節(jié)柵極電阻RG的大小來緩解甚至消除動態(tài)不均流.柵極電阻的大小調節(jié)需要根據實際情況，通過測量IGBT集電極電流的大小進行推算.通常，開通和關斷時刻電流較大的支路需要對柵極電阻進行加大.

利用Pspice對調節(jié)柵極電阻能夠調節(jié)動態(tài)不均流進行驗證.在圖2所示電路中，R3取值1 mΩ，Z2支路的驅動信號向后延遲30 ns，使驅動信號與以上驅動信號對動態(tài)電流不均衡影響的電路圖相同，調節(jié)Z1支路的連接的電阻R4=3.2 Ω，仿真結果如圖10所示.

a)導通時刻 b) 關斷時刻

對比圖10與圖6可知，經過很小柵極電阻調節(jié)后，由驅動信號不一致引起的動態(tài)不均流現(xiàn)象有了較大幅度的改善.柵極電阻的調節(jié)較易實現(xiàn)，因此在工程實際中得到應用.

(2)串聯(lián)阻抗法

通過調節(jié)串聯(lián)在IGBT發(fā)射極引線的等值電阻能夠平衡靜態(tài)不均流.采用圖2所示的電路進行仿真分析，將圖2所示電路所用Z2模塊置換為飽和導通壓降Uce(sat)=2.5 V的模塊，使R2=1 mΩ，而Z1模塊的導通飽和壓降仍為3.1 V.此時兩并聯(lián)支路由于IGBT模塊的飽和導通壓降不同，會產生靜態(tài)不均流.其仿真結果如圖11(a)所示.可見，飽和導通壓降較小的Z2模塊所在的支路會流過較大的電流.調節(jié)Z2模塊支路連接線的等值阻抗，使R3=3.4 mΩ進行仿真，仿真結果如圖11(b)所示，可見經過主功率回路串聯(lián)電阻補償，穩(wěn)態(tài)均流情況可大為改善.

a)Uce(sat)不同時靜態(tài)不均流 b) 經串聯(lián)電阻補償后的靜態(tài)均流

串聯(lián)阻抗法較易實現(xiàn)，成本低，能夠較好實現(xiàn)并聯(lián)模塊間靜態(tài)均流.但是，這種方法會加大損耗，降低系統(tǒng)效率.在實際應用時可用飽和導通壓降與支路等效電阻匹配的方法.

3 結論

本文對并聯(lián)IGBT模塊的動態(tài)及靜態(tài)不均流的原因進行了分析，并應用PSpice進行仿真驗證.提出了應對IGBT模塊并聯(lián)使用不均流的措施，并進行了仿真驗證.工程實際中應該依據具體情況，綜合應用這些措施，以實現(xiàn)并聯(lián)模塊間的均流.

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[2] 馬 亮.大功率光伏并網逆變系統(tǒng)研究[D].北京交通大學博士學位論文, 2012.

[3] 凌 晨，胡 安，唐 勇.IGBT并聯(lián)動態(tài)不均流溫度特性研究[J].電力電子技術，2011，45(11)：121-123.

[4] 肖立光，張 慧，黃紹平.風電場運行特征仿真分析[J].湖南工程學院學報(自科版)，2015，25(4)：1-5.

Simulation Analysis on Igbts Parallel Operation Current Balance Problem

WANG Hai-yuan1,HUANG Shao-ping1,XIAO Li-guang2

(1.College of Elect and Information, Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411104,China； 2.Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104， China; 3.BeiJing Dahua Radio Instrument Factory， Beijng 100085, China)

IGBT power module in parallel operation is an effective means to improve the flow capacity of inverter, But the current balance distribution problem in parallel IGBT mast be solved. Various factors causing static and dynamic current imbalance of IGBT modules in parallel operation are theoretically analyzed, and by using Pspice software, simulation tools are verified. Corresponding current balance measures are put forward and the simulating result verifies the effectiveness.

IGBT module; paralle operation; current balance; simulation analysis

2016-07-05

湖南省重點實驗室開放基金項目(FLFDYB02).

王海元(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：新能源變流與微網技術.

黃紹平(1964-)，男，教授，研究方向：新能源交流與微網技術.

TM615

A

1671-119X(2016)04-0001-07