IGBT并联应用的均流探讨

刘 伟

（华东电子工程研究所，安徽 合肥 230088）

1 IGBT简介

IGBT属于半导体器件，全称为绝缘栅双极型晶体管，是由电压功率驱动的重要器件，其构成的成分为MOS与BJT，因此其既具备低导通压降，即较大的驱动电流以及载流密度，饱和压降低，又具备高输入抗阻的特性，载流密度低，导通压降大，较快的开关速度，较小的驱动功率。因具备如上两个优点，IGBT可以在牵引传动、开关电源、交流电机、照明电路、变频器等变流系统以及600 V的直流电压中被广泛应用。

2 IGBT并联应用对均流的影响因素分析

2.1 IGBT自身特性

当电流容量不足时，不考虑经济因素的解决方案通常是选择其自身的额定的电流与电压适合于功率等级的器件。从经济的角度考虑，IGBT具有较小的额定电流与电压，因此将其进行并联同样可以达到所需要的功率的等级，且IGBT的价格相对较低，所需要的经济支出较少。因此，在实际的操作中，IGBT成为了良好的选择。但是使用IGBT还存在一个较为严重的问题，即均流的问题。使用IGBT进行并联时，其自身的差异会导致并联在一起的期间所承受的电流不同，且每个IGBT器件即使为同一厂家同一批次所生产，但是其仍然存在着些许的不同，因此其自然饱和压降也会有所不同，导致在工作情况下会出现不同的IGBT所流通的电流不同。图1中，两个IGBT并联在一起，在其工作时，两个IGBT所承受的电流不相同[1]。

可以得出：

因为T1与T2两个IGBT单管的自身特性存在差别，且由图1可以得出r2＞r1，如果假设V1=V2，即可以得出Ic1=Ic2×(r2/r1)，因此T1管在与T2管并联时，因其压降较低，通过其的电流量更大。但是IGBT的特性会随着温度的提升而改变，即温度越高，其压降也会越高，因T1通过电流的较大，所以其温度也会升高，在温度升高的同时，其压降便进行上升，通过其的电流便会减少，因此其具备自我调节的能力。图2为FF600R06ME3随着温度的变化，其自然饱和压降的变化。

图1 两个IGBT并联均流与单管输出特性

图2 FF600R06ME3温度的变化自然饱和压降变化

由图2可知，IGBT的自然饱和压降会受到温度的正向作用，因此当T1流通的电流大于T2时，T1的温度便会比T2高，T1的自然饱和压降便会趋向于T2，最终实现其二者的自然饱和压相同，实现了流通的电流相同，即均流。但是仍需要重视IGBT的选择，因为存在较大差异的IGBT实现均流的难度与时间也更大。因此，需要尽量选择在同一厂家生产的同一批次的IGBT器件，从而实现最大化地减少其因自身差异所引起的电流不均衡的问题，也可以减少其进行自我调节的时间，对于各器件的使用寿命有极大的好处[2]。

2.2 驱动电路

在并联使用IGBT时，还需要考虑其驱动电路，因为在并联的IGBT中，自然饱和电压较低的IGBT会先被导通，即其会先流通电流，以图1为例，T1会先被导通，之后电流再流过T2，所以在一开始，T1所承受的电流与T2不同，即出现了不均流的情况，出现此问题可以以米勒平台的箝位效应进行解释。可以通过设计合适的驱动电路解决此问题，从而实现IGBT并联时均流，如图3所示。

由图3可知，通过将栅极电阻分成Re与Rg，并且使用门级电阻隔离，便可以实现对T1与T2进行单独供电，其中Rg1为T1供电，Rg2为T2供电。通过独立供电便可以解决电流先流向T1的问题，实现T1与T2同时流通电流。而Re存在的意义可以体现在，当T1先流通电流时，回路杂散电感会出现环形电流I，I可以在Re1与Re2中作用出电压，即Re1的电压为VRe1，Re2的电压为VRe2，其中T1的电压可以被VRe1减小，因此T1被流动电流的速度就会降低，但T2的电压可以被VRe2增加，因此T2被流通电流的速度会提升。Re通过循环电流I的流通，对T1与T2的电流进行了控制，帮助其实现了动态均流。

图3 IGBT并联均流被驱动电路影响

2.3 外围主电路

IGBT并联使用时，其均流还会受到外围主电路的影响，主要体现于直流母线的负载差异与连接差异，如图4所示。

通常，采用层叠母线的方法组织直流母线的结构，但是这种结构需要涉及直流母线的结构尽量保持其对称，图4中的（a）所示为其不对称的情况，为了避免出现不均流的情况，需要对电路进行调整成如图4中（b）所示。再者主电路侧连接接头也需要对称处理，否则会出现动态电流尖峰不同，当其不对称时便如图4中的（c）所示一般，应当将其调整为图4中（d）所示的连接方式，从而有效地降低电感与电阻不均而出现的电压尖峰差异。

3 结 论

通过分析可知，IGBT并联时可以对均流产生影响的因素为其自身的特性、驱动电路与外围主电路，如表1所示。

通过表1可知，对于动态电流不均衡在关闭时主要对其会造成较大的影响为IGBT自身特性的结温、驱动电流的输出阻抗、驱动电流的栅极连线、外围主电流的主流母线侧，IGBT的饱和压降与外围主电路的负载侧对均流无影响；在开通时主要对其会造成较大的影响为IGBT自身特性的结温、输出阻抗、栅极连线，主流母线侧对均流的影响较小，IGBT饱和电压与外围电路的负载侧对其无影响。对于稳态电流不均衡在负载电流变化较快时，只有外围主电路的负载侧对均流有大的影响，自身特性的结温与饱和压降、驱动电路的输出阻抗与栅极连线、外围主电路的主流母线侧均对均流无影响；当负载电流变化较慢时，IGBT自身特性的结温与饱和压降对均流的影响大，驱动电路的输出阻抗与栅极连线、外围主电路的主流母线侧与负载侧对均流无影响。

图4 IGBT并联均流被外围主电路影响

表1 IGBT并联应用电流不均衡