应用于大容量变换器的IGBT并联技术

王雪松 赵争鸣 袁立强 鲁 挺

（清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 北京 100084）

1 引言

随着电力电子技术朝大容量、高性能方向发展，变换器对大电流、高开关速度的半导体器件的需求愈加强烈。受成本或技术因素的限制，在大容量变换器中半导体器件往往需要并联使用。为了同时满足大电流和高开关速度，IGBT的并联应用技术受到了人们的关注，成为器件应用研究的热点之一[1-9]。

国内外关于IGBT并联技术的现有研究大部分采用仿真的手段进行分析[2-4]，少数研究工作进行了实际并联实验测试，并有文献针对器件开关动作的同步性做了深入研究，提出了基于门极信号同步控制的主动均流控制方法[5-7]。然而，并联器件在实际变换器中由于温度不平衡引起的电流分配不平衡，是无法通过门极信号同步方法解决的。

在采用风冷系统的变换器散热器上，垂直于风路的方向上存在温度差别，并联器件需要工作在不同的结温下，这种热不平衡为大容量变换器中开关器件的并联应用带来了影响。针对在热不平衡条件下大功率IGBT的并联应用，本文对受温度影响的器件参数进行了理论分析和实验研究，对由温度引起的并联器件之间的电流分配差异进行了实验研究。重点分析了热不平衡对器件并联应用的影响和补偿方法，并进行了相关实验研究，提出了一种基于调节门极电压和门极电阻实现均流控制的门极驱动主动控制电路。在研究器件并联的过程中，挖掘器件的最大潜力，提高并联器件输出电流能力对降低变换器成本及提高可靠性也是至关重要的。

本文针对大功率IGBT的并联应用技术进行了研究，基于对两只IGBT并联应用的研究进而实现了四只IGBT并联，总输出电流超过2kA，并将该研究结果有效地应用到一台实际的315kW、380V变频器样机中。

2 IGBT并联理论分析

实现多只器件并联均流的理想条件是，并联的器件具有相同的导通电阻，相同的导通和截止速度，同步的门极开关信号，对称的负载电路和对称的换流回路。对于采用相同型号相同批次的器件并联来讲，决定并联器件间静态电流分配的主要因素是器件的导通电阻。导通电阻的差异会引起并联器件静态电流分配的不均衡，而影响器件导通电阻差异的主要因素包括结温和门极驱动电压。决定并联器件间动态电流分配的主要因素则是器件导通和截止动作的同步性，受到器件多个动态特征参数和外电路参数的综合影响[10-14]。

在实际设备中，选取相同批次的器件作并联应用基本上可以解决器件参数差异的问题，通过合理设计变换器的结构可以解决负载电路和换流回路的对称问题。然而，在采用风冷系统变换器的散热器上，垂直于风路的方向上存在温度差别，这种热不平衡会为大容量变换器中开关器件的并联应用带来了影响[15]。由热不平衡带来的器件并联应用问题往往会被忽视，本文重点针对热不平衡对器件并联应用的影响进行理论分析和实验研究。

2.1 并联器件的静态参数分析

IGBT的主要静态特征参数包括：VCE(sat)为器件的通态饱和压降，VCES为器件的阻态集射极电压，IC(nom)为可重复截止最大电流，VGE(th)为器件的导通阈值电压。参数VCE(sat)和VGE(th)是影响并联器件静态均流的关键参数。阈值电压的数学表达如下：

其中，用于表征费米能级的参数φFB是关于器件结温Tj的增函数

阈值电压VGE(th)关于器件结温Tj的导数为

因此，器件的阈值电压会随着结温的升高而略为下降。

器件的通态饱和压降是流过器件的通态电流在其导通电阻上产生的电压降

IGBT的导通电阻Rm由四部分组成：沟道电阻Rch、积累层电阻Ra、JFET电阻Rj以及外延层电阻Repi。其中，积累层电阻Ra和JFET电阻Rj与器件的制造工艺有关，外延层电阻Repi会随器件的结温升高而略为增大。而占导通电阻主要成分的沟道电阻Rch受门极导通电压和器件结温的影响

式中，L为器件的沟道长度；Z为单位面积的沟道宽度；μns为沟道反型层电子的迁移率；Cox表示单位面积的栅氧化层电容。

沟道反型层电子的迁移率μns是关于结温Tj的减函数

因此，随着器件结温的升高，器件的导通电阻会逐渐增大。

并联器件的静态电流分配取决于器件的导通电阻。由于器件在电路上是并联关系，所以导通电阻较小的管子分配到的电流要大一些。并联IGBT模块的静态电流分配不平衡，往往会使得并联IGBT的通态损耗存在差异。提高器件的门极导通电压VG,on可以使器件的导通电阻降低。基于此，可以实现对并联器件静态均流的控制。

2.2 并联器件的动态参数分析

并联IGBT的导通过程电流上升沿和截止过程电流下降沿的不同步，会使得并联IGBT模块的动态电流分配不平衡。相对于器件处于导通稳态或截止稳态来讲，器件在导通瞬态和截止瞬态所承受的电应力更大。因此，从保护器件安全运行的角度出发，并联IGBT模块的动态均流显得更为重要。

IGBT的动态特征参数主要包括：td(on)为导通延迟，tr为上升沿时间，td(off)为截止延迟，tf为下降沿时间。以上这四个参数都直接影响到并联器件开关动作的同步性，因此对并联器件的动态均流影响比较大。尤其是参数td(on)和td(off)，对于应用同一触发信号的并联器件来说，它们是直接决定动态均流特性的参数。并且，这两个参数都与导通阈值电压VGE(th)和门极导通电压VG,on有关。

在IGBT导通的第一阶段，在门极-发射极电压vGE达到导通阈值电压VGE(th)之前，导通电源VG,on通过门极电阻RG向电容CGE和CGC充电，此时有

其中，时间常数τ1为

电容CGC对电压有依赖性，它会随着电压的下降而增长，所以电容CGC在IGBT截止状态和导通状态下差别很大，从而往往器件的导通延迟与截止延迟会有较大差异。

在IGBT导通的第二阶段，VGE超过了MOS晶体管的导通阈值电压VGE(th)，此时开始产生集电极电流iC，第一阶段的整个时间被称为导通延迟td(on)。与MOSFET相类似，td(on)为

导通延迟td(on)关于器件结温Tj的导数为

因此，器件的导通延迟会随着器件结温Tj的升高而增大。同时，随着门极电阻RG的增大，导通延迟同样会增大；而随着门极导通电压VG,on的升高，导通延迟会略为减小。

与导通过程相类似，在IGBT截止的第一阶段，IGBT的门极开始通过电阻RG放电，此时有

其中时间常数τ2为

由于电容CGC对电压的依赖性，τ2远远大于导通时间常数τ1。截止延迟td(off)具有与导通延迟相同的特性，受到结温Tj、门极电阻RG和门极导通电压VG,on的共同影响。并联器件的动态电流分配不均衡主要原因是器件的开关动作不同步。以双管并联为例，领先导通的管子承受的导通电流大于滞后导通的管子；滞后截止的管子所承受的截止电流大于领先截止的管子。基于以上分析，通过调整驱动电路的参数可以改善并联器件开关动作的同步性，从而实现并联器件动态均流。

2.3 外电路参数的影响分析

并联器件的负载回路不对称，往往是由变换器主电路的布局与结构设计之间的矛盾造成的，而负载回路不对称会导致并联器件间的电流分配不均衡，这是显而易见的。通过对主电路输出铜排结构的合理设计，可以实现对称的负载回路。

不考虑吸收电路的影响，对于两电平变换器来讲，对并联器件换流回路影响较大的是变换器直流母线的杂散电感。以IGBT在导通换流时电流的上升过程为例，器件的电流可以由下式描述：

式中，gm为器件的跨导；Lσ为并联IGBT所在支路的杂散电感。由于主电路直流母线结构的影响，并联器件所在支路的杂散电感会存在一定的差异，从而并联器件有着不同的电流上升率，动态电流分配将不会均衡。电流上升率较大的器件要承受更大的电应力。

由于元器件布局的限制使得并联器件所处的位置无法做到完全对称，因而对于每个并联的器件，其所在的换流支路的杂散电感会存在差异。尽管变换器主电路的直流母线广泛采用了层叠结构，通过对层叠母线结构的改进可以整体地降低母线带来的杂散电感，从而降低参数的差异，然而杂散电感差异带来的对并联均流的影响却是不可忽略的。

并联器件换流支路杂散电感差异对并联电流分配的影响主要体现在动态均流特性，通过对并联器件驱动电路的参数调整，可以补偿动态电流的不平衡，进而实现对并联器件均流的主动控制。

2.4 门极主动控制电路

基于上述分析，并联器件的静态均流主动控制可以通过调节驱动电路的门极导通电压实现，而动态均流可以通过调节门极电阻实现。门极驱动主动控制电路的基本结构如图1所示。

图1 门极驱动主动控制电路Fig.1 Gate driving circuit for active control

并联器件的门极驱动电压通过开关电源的占空比调节实现，由控制器产生门极导通电压的目标参考值来控制。而针对门极电阻的阻值的调节，一般难以找到可以线性调节控制的电阻类器件，因此驱动电路的门极电阻可以通过对排阻的开关状态控制予以调节。用于输出电流反馈分析的电流传感器需要基于罗氏线圈实现。

3 IGBT开关特性的实验

开关特性是影响器件并联使用的重要因素，如前文所述，能够影响器件开关特性的因素又包括驱动电路的门极电阻、门极电压、器件的结温以及器件所在换流回路的杂散电感。通过主动改变这些参数，可以考察器件开关特性的变化特征，有助于分析器件并联使用情况下的电流分配。在实际的315kW、380V变换器中采用了英飞凌公司生产的IGBT模块（型号为FF450R12ME3），规格1200V、450A。因此，对开关特性的分析同样基于此型号的器件进行了相关的系列实验。

3.1 门极电阻的影响

驱动电路的门极电阻不影响器件的通态饱和压降，但是门极电阻参数的变化对器件的动态特性影响显著。器件的导通延迟、截止延迟、上升沿时间和下降沿时间都直接与门极电阻相关。

由于器件生产工艺的不同，使得不同厂商、不同规格和不同型号的器件具有不同的适用门极电阻范围。在应用过程中，过小的门极电阻容易引起导通过程中电流的振荡；过大的门极电阻则容易引起截止过程中电压和电流同时振荡。在合适的门极电阻范围内，通过改变门极电阻的阻值可以改变器件的动态参数。

在环境温度30℃，直流母线电压600V，电流450A的条件下，改变驱动电路的门极电阻，测试器件的开关波形。根据实测波形进行计算，可以得到门极电阻对器件动态参数的实际影响，实验结果如表1所示。

表1 门极电阻对器件参数的影响Tab.1 Characteristic parameters with different gateresistance

根据表1所示实验结果可以看出，随着门极电阻阻值的增加，器件的截止延迟td(off)随之单调递增。据此，在器件并联使用的情况下，可以通过改变并联器件各自驱动电路的门极电阻来实现对器件并联动态均流的主动控制。

3.2 门极导通电压的影响

驱动电路的门极导通电压几乎可以影响器件的全部工作特性，在合适的门极电压范围内，通过调节门极导通电压可以直接改变器件的沟道电阻。在使用过程中，过高的门极电压容易造成栅极的损伤；低于导通阈值的门极电压又会使得器件长期工作于非饱和区而造成损坏。通常实际应用中门极导通电压调节的范围是10～18V。

器件的输出特性是影响并联器件静态电流分配的重要因素。图2所示为使用器件测试仪器SONY Tektronix 371A对型号为FF450R12ME3的IGBT器件进行实测得到的输出特性曲线。显然，在输出相同电流的情况下，随着门极电压的升高，器件的饱和压降会逐渐降低，即器件的沟道电阻随着门极导通电压的升高而单调递减。这意味着，器件在并联使用时，通过分别调节器件各自驱动电路的门极电压，可以调节器件的跨导，从而实现并联器件的静态均流主动控制。

图2 IGBT的实测输出特性曲线Fig.2 Experiment-measured output characteristic of IGBT

3.3 结温的影响

在一个实际的风冷变换器当中，并联的IGBT模块被安装在同一块散热器上，然而它们的热路却不是对称的。沿着风路的方向上存在温度分布，在垂直于风路的方向上同样存在温差，最差的情况下温差甚至可以达到25℃。在这样的使用条件下，结温差异对并联器件的影响不可以忽略[15,16]。

器件的大部分特征参数都是对结温非常敏感的，影响到器件并联的几个关键参数同样受到器件结温的影响。随着结温的升高，器件的导通电阻会增大，而器件的导通延迟和截止延迟同样会随之增加，从而影响并联器件的静态均流和动态均流。

图3 实测不同结温下IGBT的截止电流波形Fig.3 Switching waveforms of IGBT with different junction temperatures for measuring the characteristics parameters

图3 所示为实验实测的5条不同结温下的开关波形，结温从30℃到70℃递增，邻近曲线结温相隔10℃。结温的升高使得影响器件并联应用的两个重要参数td(on)和td(off)都不同程度的随之增加。这样，在不作任何调整的情况下，存在结温差别的并联使用的IGBT模块将承受不同的电应力。结温较高的器件将承受较大的截止电流，而结温较低的器件将承受较大的导通电流。

表2是基于图3所示的实验，从结温30℃到75℃分别测试多个波形，计算得到的实际器件工作在直流母线电压550V，负载电流400A的情况下的动态参数。导通延迟和截止延迟随结温的变化趋势是显而易见的。这种由结温差异引起的器件并联不均流同样可以通过分别调节器件各自驱动电路的门极电压和门极电阻实现并联器件的主动均流控制。

表2 器件特征参数随结温的变化情况Tab.2 Characteristic parameters at different junction temperatures

4 大功率IGBT并联实验

4.1 并联实验平台

对于大多数电压型电力电子变换器来讲，实现能量变换的基本单元电路拓扑是相同的，它们都是通过两个同时动作的开关器件实现换流。因此，通过分析变换器中的基本单元电路可以了解变换器中全部开关器件的工作状况。图4和图5分别为用于研究并联器件电流分配情况的实验平台和测试电路。实验平台能够模拟实际变换器中并联器件存在结温温差的工作环境，研究对象是两只同型号的并联器件，作为多只器件并联的研究基础。

图4 器件并联实验平台Fig.4 Schematic diagram of the platform for testing parallel-connected IGBT modules

图5 器件并联测试电路Fig.5 Schematic of the circuit for testing the IGBTs in parallel

实验平台包含机械结构、温度控制、脉冲控制和电流测量四个部分。实验平台的机械结构能够保证并联器件换流回路的对称性。在固定器件的金属砧板上有一条5mm的缝隙，用于阻隔两部分砧板间的热传递，便于并联器件温度的分别控制。砧板的温度控制由一个双路温度控制器实现，当温度稳定后器件的结温与砧板的温度相同。器件并联电流分配的测试采用双脉冲测试方法，即第一个脉冲用于控制电流达到测试所需的数值，第二个10μs的脉冲用于并联器件开关特性的测试。测试过程中产生的损耗对结温的影响可以忽略不计，认为所测波形的结温于金属砧板的温度相同。电流测试使用了基于罗氏线圈的高带宽电流探头。

在相同结温、使用相同门极电阻和相同门极导通电压的情况下，基于上述测试平台可以实现器件并联的自均流，实测波形如图6所示，用于后续实验波形的对比分析。

4.2 双管并联均流控制实验

图6 相同结温下并联器件的自均流Fig.6 Waveforms of balanced current of the parallel-connected IGBT modules with same temperature

并联器件使用相同的门极电阻1.7Ω，直流母线电压600V，器件截止电流420A左右的情况下，控制并联器件VT1和VT2的结温分别为38.1℃和50.4℃，即温差为10℃左右时，器件的静态电流差异达到了26A，同时截止电流峰值差异达到了15A，如图7a所示。结温较高的器件需要承受更高的截止电流峰值，在工业应用当中这是不合理的。此外，电流的不均衡程度几乎只与并联器件的结温温差相关，而不随环境温度改变。并且随着结温差异的增大，并联器件的静态电流与动态电流分配差异也随之增大。

图7 门极电阻调节对截止电流均衡的控制Fig.7 Transient current balancing between parallel-connected IGBT modules with thermal imbalance

调节器件的门极电阻，将结温较高的VT2管的门极电阻减小到1.5Ω，在同样的温差测试条件下（VT1和VT2的结温分别为38.9℃和51.5℃），实现了存在结温差异的并联器件截止峰值电流均衡，实验波形如图7b所示。

限于目前的实验状况，通过调节门极导通电压控制并联器件均流的实验目前尚无法完成。

4.3 四管并联电流测试

在实际的315kW、380V变频器样机当中，主开关器件由四只型号为FF450R12ME3的IGBT模块并联实现。为检测并联器件的分断电流能力，基于该变换器样机的主功率电路进行了电流能力检测实验。

实验环境温度为25℃，直流母线电压600V，基于图5所示的测试电路发送连续脉冲，直到触发预设的过电流保护，测定负载电流的最大值，实验结果如图8所示，并联器件能够可靠截止2 300A的负载电流，为变换器系统的稳定运行提供保障。

图8 变换器中四管并联的电流能力测试Fig.8 Current capacity test of four IGBT modules connected in parallel for the converter prototype

4.4 变频器带电动机实际运行测试

为检测变频器样机主功率电路的实际带载能力，实验中多次测试了变频器带315kW、380V异步电动机的起动过程。在直流预励磁[17,18]之后，通过控制器逐步提高起动电压以增大电机的起动电流，进行多次起动实验直到触发变频器的预设过电流保护。

测定的变频器带电机负载最大起动电流可以达到2kA，散热器温度为45℃，实测起动电流波形如图9所示。

图9 变频器带315kW电动机起动电流波形Fig.9 Starting current waveforms of the converter prototype with the load of a 315kW motor

变频器带电机起动以后逐渐加载，同时改变电机的运行频率，最终使变频器在22Hz满电流（有效值750A）的状态稳定运行，测试系统的温升曲线，实验结果如图10所示。温度测试点TC1选在散热器中央位置的IGBT模块附近，温度测试点TC2选在与之相距较远的IGBT模块附近。尽管变换器的散热风路已经做过优化设计，在温度稳定以后散热器上测点的温差还是在10℃左右。因此，对在此种环境下运行的并联器件均流控制是十分必要的。

图10 变频器带315kW电动机低频满载温升曲线Fig.10 Temperature curves of the converter prototype with the full load of a 315kW motor at 22Hz

5 结论

采用风冷系统的变换器散热器上，垂直于风路的方向上存在温度差别，这种热不平衡为大容量变换器中开关器件的并联应用带来了影响。本文针对热不平衡对器件并联应用的影响对并联器件的静态均流、动态均流以及外电路参数的影响进行了理论分析和相关的实验研究，总结了运行温度差异对并联器件电流分配的影响规律，这种影响在工业应用中是不可以忽略的。

基于对热不平衡对器件并联应用的理论分析和实验研究，本文提出了一种基于调节门极电压和门极电阻实现均流控制的门极驱动主动控制电路，应用这种方法可以解决热不平衡对器件并联应用带来的问题，实验验证了该方法的有效性和可行性。

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