IGBT并联运行均流问题仿真分析*

王海元，黄绍平，肖立光

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；2.湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104；3.北京大华无线电仪器厂，北京 100085)

IGBT并联运行均流问题仿真分析*

王海元1，2，黄绍平1，2，肖立光3

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；2.湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104；3.北京大华无线电仪器厂，北京 100085)

采用IGBT并联运行是提高变流器通流能力的有效途径，但必须解决好并联IGBT的电流均衡分配问题.对造成IGBT模块并联运行时静态不均流与动态不均流的各种因素进行了理论分析，利用Pspice仿真工具进行了验证.提出了相应的均流措施，并进行仿真分析，验证了均流控制方法的有效性. 关键词：IGBT模块；并联运行；均流；仿真分析

0 引言

在大功率变流器中，主电路所通过的电流将达到几百甚至上千安，这就需要功率模块具有很大的通流能力.采用IGBT模块并联是一种简便的提高功率模块通流能力的方式[1].但当IGBT模块并联运行时，由于特性参数的不一致或者电路设计不合理，参与并联的IGBT模块极易出现分流不均衡的情况，承受较大电流的IGBT模块在情况恶劣时会因超出安全工作区域而损坏，继而可能导致其它并联模块的过流损坏.只有在静态(即在导通区域)和动态(即在开关切换时刻)电流均衡分布在并联电路时，由单独元件并联构成的功率电路才能被有效利用.因此，为了能够安全且最大效率的使用IGBT并联，有必要对造成静态及动态不均流的因素及其改善方法进行研究.

1 IGBT并联不均流因素的仿真分析

IGBT并联不均流可以分为静态和动态不均流两个方面.静态不均流是指并联功率模块在流过电流稳定时所承受的电流分布不均.动态不均流是指并联模块在开通和关断时刻电流变化时所承受的瞬间电流不均.

1.1 静态不均流原因分析

造成静态电流不均衡的原因包括IGBT模块固有的饱和导通压降Vce(sat)不同、线路布局不对称导致的模块集射极连接线等值阻抗差异、工作环境温度或结温差异等[2].

(1)通态压降的影响

在稳定的开通状态时，并联的半导体元件应该表现出相同的正向导通电压.电流的分布取决于模块导通压降Vce(sat)的差值.图1给出了一个总电流分布在两个并联的IGBT模块上电流大小，因为输出特性曲线的不同而产生不均衡.

图1 通态压降不同对IGBT输出特性比较

Ic1和Ic2分别为两个并联IGBT模块集电极电流，Vce1、Vce2为其导通压降，Vth为栅射极阈值电压，对其输出特性近似线性化，并考虑并联使用时IGBT模块导通压降相等，可推导出：

(1)

式中，R1和R2为通态等效电阻，Vce(sat)1、Vce(sat)2为器件饱和压降.

上式说明，有较小饱和压降的IGBT模块将会分得总电流中较大的部分，饱和压降是造成静态不均流的一个主要原因.因此，应当尽量选择性能一致的模块进行并联.

(2)功率回路布线不均衡

在进行IGBT并联使用时，应该尽可能做到对称布局布线，否则可能会导致其集电极和发射极引出线的等值电阻和杂散电感的差异.

利用Pspice对功率回路布线不均衡进行仿真分析.仿真电路如图2所示，选取两个完全相同的IGBT模块，L1和L2分别为功率回路的引线杂散电感.保持其栅极控制电压及栅极电阻完全一致，工作温度一致，而功率回路等值电阻不同，分别取1 mΩ、2 mΩ.仿真结果如图3所示.

图2 PSpice仿真电路

图3 布线不均衡时电流分布图

由此可见，引线电阻小的回路会分配到较大的电流，Z1支路比Z2支路流过的电流大约50 A.很小的不对称电阻即可产生很大的不均衡电流，因此在进行布线时必须保证并联回路间的严格对称.

(3)工作结温影响

IGBT按照工艺结构有PT及NPT两种类型.PT型IGBT的饱和压降Vce(sat)会伴随模块内部PN结的温度上升而不断降低，即温度系数为负.而NPT型IGBT的饱和压降Vce(sat)会伴随模块内部PN结的温度上升而不断提高，即其温度系数为正[3].如果某一并联模块由于流过较大电流，或散热不均引起模块温度上升，会导致导通压降提高，使其向温度较低的模块转移，完成并联模块间自均流.因此，NPT型IGBT并联使用时能够自发形成负反馈，拥有自动均流的功能，在并联应用中，应当尽量选择NPT型IGBT.

2 动态不均流原因分析

IGBT并联模块导通和关断时刻，较先导通或较后关闭的模块会在瞬间流过较大的过电流，如果超过额定负荷范围，就很有可能损毁模块.导致动态不均流的主要因素有：器件自身参数不一致、驱动电路差异、功率回路寄生电感不同、温度特性影响等.

(1)器件自身参数的影响

对并联均流影响较大的IGBT自身参数主要有阈值电压Vge(th)和IGBT栅射极之间分布电容.

采用如图2所示电路进行仿真分析，在Z2模块栅极连接两个反并联二极管，二极管导通电压为0.7 V，用来模拟阈值电压的不同.仿真结果如图4所示.

由图4可知，Z1模块因为开通阈值电压较低，先达到导通条件，在导通瞬间会承受较大的电流，对关断时的不均流影响较小.

采用图2所示电路进行仿真分析，R2变为1 mΩ，在Z2模块栅极和射极之间并联连接一20 nF电容，模拟IGBT栅极分布电容不均所造成的动态不均流.仿真结果如图5所示，分别为两模块的开通和关断电流波形.

a)导通时刻 b) 关断时刻

a)导通时刻 b) 关断时刻

由图5可见，栅射极之间电容Cge的不一致对开通时刻动态不均流有较大的影响，栅极分布电容较小的支路会率先导通流过较大的电流，这是因为随着输入电容的增大，会导致其充电时间常数增大，从而使栅极电压达到阈值的时间变长.分布电容对关断时刻的均流影响相对较小.

(2)驱动电路的影响

驱动电路对于IGBT的动态均流起着至关重要的作用.驱动信号不一致会导致栅极连接电阻及杂散电感都有可能影响支路间的不均流.并联IGBT可由单个驱动器统一驱动，也可以每个模块由各自独立的驱动器驱动.当各自采用不同的驱动回路时，就容易产生驱动信号的不一致，会导致先开通的器件承受过电流，有可能损坏器件.采用图2所示电路进行仿真，R2设为1 mΩ，功率回路完全相同，Z2支路的驱动电压信号向后延迟30 ns，仿真结果如图6所示.

由图6可知，30 ns驱动信号延迟即会造成很大的动态电流不均.关断时刻产生较大震荡，先开通及后关断的支路会有很大的电流尖峰.

栅极串联电阻也会对IGBT导通和关断的时间造成影响，门极的导通电路可近似等效为对栅射极电容的充电电路，电阻较大时会导致开关较慢，产生较大的动态损耗.采用图2所示电路进行仿真分析，取R2=1 mΩ，主功率回路不变.Z2模块的栅极电阻R5=3.3 Ω，使之比Z1支路栅极电阻大0.3 Ω.其仿真结果如图7所示.

a)导通时刻 b) 关断时刻

a)导通时刻 b) 关断时刻

由图7可知，当栅极电阻有很小差异时，即可引起较大的动态不均流.栅极电阻较小的支路开通较快，有较大的开通损耗.栅极电阻较大的支路关闭较慢，关断损耗较大.

对栅极电感的仿真分析表明，其对并联支路间的电流不均衡的影响较小.

(3)功率回路差异的影响

由于布局或布线的不合理，功率回路所产生的杂散电感很可能会有较大的差异.IGBT在逆变应用时开关频率达到几千赫甚至几十千赫，尽管功率回路杂散电感很小(nH级)，但也会对换流产生较大的作用，引起并联IGBT动态不均流.采用图2所示电路进行仿真，取R3=1 mΩ，L2=50 nH.分别测取Z1、Z2模块的集电极电流，仿真结果如图8所示.

由图8可知，功率回路的杂散电感差异会导致动态电流的分流不等.其值越大，IGBT模块的导通速度越慢，因为当直流流过的电流突然增大时，在寄生电感上会生出与电流增长方向相反的电压，阻止其上升，这就会加大导通时间.

组织学与胚胎学是医学生必修的重要医学基础课程之一，学好组织学与胚胎学对于相关医学基础课程的学习至关重要，也为将来从事临床工作和开展科学研究奠定基础。因此，做好组织学与胚胎学教学工作具有十分重要的现实意义。然而组织学与胚胎学的课程特点是内容多，结构微观而抽象，学生难以理解把握，更难以记忆，很容易产生畏难心理，直接影响后期的学习效果，也直接影响到生理学、病理学等相关课程的学习。因此，如何做好组织学与胚胎学教学工作，是每位专业教师应该认真思考和研究的问题。下面就结合多年来的教学实践，谈几点教学体会。

2.1 IGBT并联运行均流控制的仿真分析

2.1.1 器件选型及布线结构设计

器件参数不一致以及并联结构设计对动、静态不均流均有影响，应从以下几个方面进行优化设计.

(1)器件选型

为保证并联应用所用器件参数的一致性，应当选择同一批次、同一型号的IGBT模块进行并联应用.另外，由于NPT型的IGBT模块导通压降的温度系数为正值，在应用中有利于支路间的自我均流，所以在应用中应当选择NPT型IGBT模块.

(2)驱动回路布线设计

并联模块间的驱动器设计的首要条件是要保证信号一致.因此，应当首选输出电流足够大的驱动器对其进行同时驱动，而且要做到尽可能对称布局，到栅射极之间的导线可以使用双绞线，减少导线杂散电感的干扰，且导线应尽可能短，长度一致.为了防止栅极和射极之间产生寄生震荡，应当添加所用模块厂家推荐的电阻.

a)导通时刻 b) 关断时刻

(3)主功率回路设计

在布线时应当尽量保证功率回路引线的等值电阻、寄生电感的参数相等.因此，应当对称布置主功率回路的元件及引线，应当使用截面积较大的扁条线或铜排进行连接，且尽量短.各功率模块平行接近，要使用同一散热器，以利于热平衡.

2.1.2 降额使用

如果采用上述方法仍达不到所要求的性能，可考虑降额使用.电流静态降额系数δs为：

(2)

式中，IT为并联支路通过的总电流，IC为每个器件的额定电流，n为并联器件的总数.

δs与饱和导通压降和结温等因素有关系.不同电压电流等级的模块，其厂家推荐的电流静态降额系数也不同，若知道静态降额系数,就可以据此得出并联模块可流过的总的电流.一般情况下，电流的降额系数可由下式计算[2]：

(3)

式中，x根据器件电压等级取值，600 V、1200 V、1700 V器件x分别取0.1、0.15、0.2.

实际应用中根据情况选择模块数目，合理配置降额系数，可确保IGBT模块工作在安全区域.

2.1.3 主动均流技术

在并联支路间参数较难取得一致时，需要对其进行主动均流控制.主动均流控制方法根据对象的不同可分为静态及动态均流控制.静态均流的控制方法主要有串联阻抗法和栅压控制法.动态不均流的控制方法主要有主功率回路串联电抗法和栅极电阻调节法等[2].以下对实用性较强的串联阻抗法和栅极电阻调节法进行分析，并利用Pspice进行仿真验证.

(1)栅极电阻调节法

IGBT的开通及关断过程对于栅极而言，可以看作电压源对电阻电容串联电路充放电的过程.通过调整门极连接阻抗的大小即可调节其电压的上升速度及限制开通关断电流的变化速度di/dt，即调整栅极电阻的大小可以影响IGBT并联的动态均流特性.IGBT栅极驱动等效电路如图9所示.

图9 IGBT栅极驱动等效电路

图9中，RG为栅极电阻，Cies为栅极输入电容(包括栅射极电容Cge和栅集极电容Cgc).导通时，正电压对Cies进行充电；关断时负电压对电路放电.其充放电时间常数τ与充放电的峰值电流IGPK的表达式如下：

τ=RGCies

(4)

(5)

由式(4)、(5)可知，通过调节栅极电阻RG可调节充放电时间常数和充放电峰值电流，即可对IGBT的开通关断的情况作出调整.在并联模块间出现动态不均流的情况时，可以通过调节栅极电阻RG的大小来缓解甚至消除动态不均流.栅极电阻的大小调节需要根据实际情况，通过测量IGBT集电极电流的大小进行推算.通常，开通和关断时刻电流较大的支路需要对栅极电阻进行加大.

利用Pspice对调节栅极电阻能够调节动态不均流进行验证.在图2所示电路中，R3取值1 mΩ，Z2支路的驱动信号向后延迟30 ns，使驱动信号与以上驱动信号对动态电流不均衡影响的电路图相同，调节Z1支路的连接的电阻R4=3.2 Ω，仿真结果如图10所示.

a)导通时刻 b) 关断时刻

对比图10与图6可知，经过很小栅极电阻调节后，由驱动信号不一致引起的动态不均流现象有了较大幅度的改善.栅极电阻的调节较易实现，因此在工程实际中得到应用.

(2)串联阻抗法

通过调节串联在IGBT发射极引线的等值电阻能够平衡静态不均流.采用图2所示的电路进行仿真分析，将图2所示电路所用Z2模块置换为饱和导通压降Uce(sat)=2.5 V的模块，使R2=1 mΩ，而Z1模块的导通饱和压降仍为3.1 V.此时两并联支路由于IGBT模块的饱和导通压降不同，会产生静态不均流.其仿真结果如图11(a)所示.可见，饱和导通压降较小的Z2模块所在的支路会流过较大的电流.调节Z2模块支路连接线的等值阻抗，使R3=3.4 mΩ进行仿真，仿真结果如图11(b)所示，可见经过主功率回路串联电阻补偿，稳态均流情况可大为改善.

a)Uce(sat)不同时静态不均流 b) 经串联电阻补偿后的静态均流

串联阻抗法较易实现，成本低，能够较好实现并联模块间静态均流.但是，这种方法会加大损耗，降低系统效率.在实际应用时可用饱和导通压降与支路等效电阻匹配的方法.

3 结论

本文对并联IGBT模块的动态及静态不均流的原因进行了分析，并应用PSpice进行仿真验证.提出了应对IGBT模块并联使用不均流的措施，并进行了仿真验证.工程实际中应该依据具体情况，综合应用这些措施，以实现并联模块间的均流.

[1] 孙孝峰，顾和荣，王立乔，等.高频开关型逆变器及其并联并网技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2] 马 亮.大功率光伏并网逆变系统研究[D].北京交通大学博士学位论文, 2012.

[3] 凌 晨，胡 安，唐 勇.IGBT并联动态不均流温度特性研究[J].电力电子技术，2011，45(11)：121-123.

[4] 肖立光，张 慧，黄绍平.风电场运行特征仿真分析[J].湖南工程学院学报(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

湖南省重点实验室开放基金项目(FLFDYB02).

王海元(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：新能源变流与微网技术.

黄绍平(1964-)，男，教授，研究方向：新能源交流与微网技术.

TM615

A

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