IGBT并联技术分析

1IGBT并联技术分析胡永宏博士（艾克思科技）通过电力电子器件串联或并联两种基本方法，均可增大电力电子装置的功率等级。采用这两种方法设计的大功变流器，结构相对简单，加之控制策略与小功率变流器相兼容，功率提升主要靠电力电子器件串并联数目的增加来实现，因此具有成本较低，便于不同功率等级变流器进行模块化设计和生产等优点。通过串联IGBT可以提高变流器的电压等级，而通过并联IGBT则可以提高变流器的电流等级，从而提升变流器的功率等级。考虑到前者功率密度相对较低，从性价比出发，IGBT并联技术是最好的选择。1IGBT并联运行分析1.1影响并联IGBT均流的主要因素1)IGBT和反并联二极管静态参数的影响IGBT的饱和压降Vce(sat)、反并联二极管的正向压降Vf主要影响静态均流效果；IGBT的跨导gfs和栅极－发射级阈值电压Vge_th、反并联二极管的反向恢复特性（反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr等）主要影响动态均流效果。2)IGBT驱动电路参数的影响并联IGBT的门极驱动电压Vge的大小主要影响并联IGBT的静态均流，而门极驱动信号的变化率、门极驱动电阻Rg、驱动线路的布局和感抗等参数则对并联IGBT的动态均流有很大的影响。3)IGBT安装的散热考虑，如果IGBT散热出现热量过于集中，IGBT温度差别大，会影响的温度特性，形成正反馈现象。4)主电路结构的影响主电路的结构会造成线路感抗差异，并对并联IGBT的动态均流产生影响，而线路的电阻则影响静态均流。1.2并联技术遵循的原则1)模块的选择：通过选择具有正温度系数并且最好是同一批次的IGBT单元，可以提高器件参数的一致性，实现最好的静态均流。2)共用驱动电路通过IGBT驱动电路参数的合理设计和共用同一驱动电路，可以提高IGBT开关速度、减小器件参数分布性的影响，改善动态均流的效果。3)对称布局并联回路中所有的功率回路和驱动回路须保持最小回路漏感及严格的对称布局，模块应尽量靠近，并优化均衡散热，以提高并联IGBT的均流效果。4)串联均流电感：交流输出端串联的电感可以抑制IGBT和二极管在开关过程中的电流变化率，可以大大减小由于开关过程的差异造成的电流不均衡，通过均流电感的合理设计可以确保并联IGBT的动态均流效果满足设计要求。5)降额使用：即使IGBT模块的选择、共用驱动电路和优化布局已达到最优，但其静态和动态性能仍然不可能达到理想的均衡。更为重要的是，IGBT模块内部的反并联续流二极管是双极性器件，其正向通态压降呈负温度系数，因此最好对IGBT进行15％～20％的降额使用。3并联技术整体设计根据上述设计原则，本文设计了一个额定容量为250kVA的电路，三相交流输出线电压为380V，交流输出相电流为380A，为满足三相变流器在380V交流电压下PWM整流器工作模式的需要，直流环节电压设计为700V，整体设计结构如图1所示。2C1C2C3T11T12T13T41T42T43C4C5C6T31T32T33T61T62T63C7C8C9T51T52T53T21T22T23C10LV-1直流电压传感器+-ABCL1L2L3L4L5L6L7L8L9+-驱动板驱动板驱动板电流传感器x2控制板LV-2交流电压传感器+-LV-3+-共模磁环直流支撑电容x2电流传感器x1图1电路整体结构电气图电路将IGBT模块、控制单元、驱动单元、直流支撑电容(C10)、均流电感(L1～L9)、吸收电容(C1～C9)、两个交流电流传感器(x1、x2)、两个交流电压传感器(LV-2、LV-3)、一个直流电压传感器(LV-1)、共模磁环等变流器所需的重要零部件集成在一起，组成一个功能相对比较完整和独立的模块。电路的每相半桥电路由3个并联的IGBT半桥电路组成，每个IGBT半桥电路的中间引出端通过均流电感并联在一起，以提高每个IGBT半桥单元的动态均流效果。IGBT模块的正负端通过复合母排连接到直流支撑电容的两极上。选用复合母排不但有助于减小IGBT开关过程产生的过电压，而且还可以降低电磁干扰，提高电路的电磁兼容(EMC)性能。下面简单介绍并联设计中的IGBT管子参数选择方法，因为IGBT是最为重要的器件，成功与否在与这个管子是否好使。3.1所有IGBT饱和压降测试工欲善其事，必先利其器！手头上最好要有IGBT参数测试，测试IGBT的饱和压降Vsat。图2IGBT的饱和压降曲线由于IGBT的特性，如果饱和压降差别过大，会出现正反馈现象。这里需要将IGBT的不一致参数尽量压缩小，上图的参数中，测试精度要求为mV级别，最好选择参数一致达到100mV内的管子。测试过程中，需要注意的事情：第一：测试环境温度保持恒定。第二：测试使用脉冲电流，减小IGBT自身热量，减小IGBT自身的温度提高。3第三：测试使用自动模式测试，使用测试点频率一致的测试调节。参考仪器：IGBT-1200A。3.2所有IGBT内建二极管饱和压降测试在使用同样的方法，测试内建二极管饱和压降，他的压降不同会导致静态电流时，出现温度升高不一致的情况。首先将IGBT的控制端G和E短路，保证IGBT断开，测试方式在使用测试IGBT饱和压降的方法测试内建二极管的饱和压降。赛选的阈值设定依旧需要控制在100mV。参考仪器：IGBT-1200A。3.3所有IGBT内建二极管反向恢复时间测试内建二极管的速度也是困扰并联的一个重要因素。这个内建二极管或者寄生二极管的速度如何，如果速度快，那就相当beauty了，但是如果速度慢，那就悲哀了，还需要外接一个大容量，高速的二极管，麻烦呀，官方给定的资料不够，看不出内建二极管的速度。参考仪器：DI-100二极管反向恢复测试仪，测试这个IGBT的内建二极管速度。测试结果给大家分享一下，如下图。图3二极管外形图4示波器存储的波形图5二极管正向导通电流图6二极管反向恢复电流4图7二极管反向恢复电流斜率图8二极管反向恢复时间综上可以看出实测数据器件标称参数测试反向电压：300V二极管正向导通电流：1.18*10=11.8A二极管反向恢复电流：0.48*10=4.8A二极管反向恢复电流斜率：12A/480nS=25A/uS二极管反向恢复时间：280nS官方数据手册并未给出反相恢复时间曲线和数值。4.试验结果及分析为测试硬件电路设计的正确性和控制系统工作的可靠性及电路在大容量工作下的稳定性，作者搭建了无功并网实验平台，实验电路如图9所示。UVW预充电电阻LCL滤波交流断路器Q1交流接触器K1M+15VM-15VM+15VM-15V预充电接触器K2PEBBABC+-Uab电压传感器Ubc电压传感器压敏电阻风扇FAN图9无功并网实验电路图电路三相电流(Ia、Ib、Ic)及BC相电压(Ubc)如图10所示，三相电流相位互差120°，电流峰值535A，谐波含量少、波形呈明显的正弦曲线；Ib相位超前Ubc相位60°，由相电压与线电压相位关系得，Ib相位超前Ub相位90°，为无功并网实验，运行容量250kVA。IaIbIcUbct/ms(5ms/div)I/A(200A/div)U/V(500V/div)图10无功并网实验波形无功并网实验表明，电路硬件系统设计合理、控制系统运行正常、系统重要部件温升均符合工作要求，电路可以长期稳定地运行在250kVA容量下。5.结语本文在理论研究的基础上，研制出一个额定容量为250kVA的电路。它将中间支撑电容、传感器、IGBT、驱动单元、散热装置和控制系统等变流器所需的重要器件集为一体，具有功能独立、结构紧凑、性价比高、功率等级便于进一步提高等优点。实验结果表明该电路设计合理、运行可靠、满足各项设计指标、具有很高的应用和推广价值。本文作者创新点：本文在电路设计过程中，引入了数项创新技术。例如，采用均流电感法提高并联IGBT5的动态均流效果，且均流电感采用套磁环的方法设计；正负母排采用复合母排法设计，大大降低了电路中的杂散电感；实验方法采用无功并网法，在保证实验可靠、有效的情况，大大简化了实验平台，节约了实验费用。参考文献:[1]王宝归曾国宏.基于IGBT并联技术的PEBB设计[J].