隨著工業(yè)的發(fā)展，對于IGBT的電壓等級和電流等級的要求也越來越高。目前國內(nèi)外市場上IGBT電壓等級最高為6500V，電流等級最大到3600A。對于中小功率應用場合，完全可以采用較高電壓等級和較大電流等級的IGBT來滿足對系統(tǒng)更高的要求，通常1700V和1000A的IGBT就可以滿足要求，而且市場供應量充足，價格適中。但在高壓大功率場合，若對IGBT的電壓和電流要求接近市場上的較大值時，如6500V的IGBT，價格昂貴，且國外對中國有出口限制(不能用于軍事用途)，此時就要考慮采用IGBT并聯(lián)和串聯(lián)擴容。由于IGBT的特性依賴于其結構和工藝參數(shù)，lGBT并聯(lián)和串聯(lián)時存在靜態(tài)和動態(tài)不均流和不均壓，除了選擇參數(shù)一致的IGBT模塊外，通過設計適當?shù)尿寗与娐芬彩墙鉀QIGBT并聯(lián)和串聯(lián)存在的問題的有效途徑。
 
  1. IGBT并聯(lián)靜態(tài)均流的研究

  當兩個及以上IGBT并聯(lián)時，由于模塊不一致的靜態(tài)和動態(tài)特性會導致電流分配不均。在IGBT處于穩(wěn)態(tài)運行時，影響均流的因素主要是IGBT的輸出特性。如圖1所示，兩個輸出特性不一致的IGBT并聯(lián)運行時，飽和導通壓降VCEsat低的管子會分擔更多的電流。

 

  圖中，V01，V02-Q1，Q2的集電極電流為零時對應的集射極電壓ΔV1，ΔV2-電流為IC1，IC1時對應的兩管通態(tài)電壓變化量。
  Q1，Q2的輸出特性可近似描述為：

 
 

  Q1，Q2并聯(lián)，有：

 
 

  由此可見，當V01～V02時，IGBT的通態(tài)電阻(即輸出特性斜率的倒數(shù)VCE/IC)是影響電流不均衡的主要因素。因此為了實現(xiàn)靜態(tài)均流，應選擇飽和壓降一致的IGBT模塊。

 

 針對IGBT輸出特性對靜態(tài)均流的影響做仿真，IGBT模塊選擇三菱CM600HA-24H，額定電流600A，額定電壓1200V，飽和壓降2.5V。同時選擇CM600HA-28H模塊，額定電流600A，額定電壓1400V，飽和壓降3.1V。負載0.8歐，直流電壓800V，穩(wěn)態(tài)負載電流為1000A。仿真電路如圖2所示。

  靜態(tài)均流仿真波形如圖3所示。

 

  穩(wěn)態(tài)時兩個管子每個應分擔500A電流，但由仿真結果可以看出，飽和壓降較低的CM600HA-24H在穩(wěn)態(tài)時承擔電流約630A，飽和壓降較高的CM600HA-28H在穩(wěn)態(tài)時承擔電流約370A。

  由于飽和壓降對并聯(lián)器件均流的影響，在實際應用中，針對兩個飽和壓降不一致的器件并聯(lián)時，應采用降低容量的方法。定義電流降容系數(shù)δ

 
 

  式中，Ir--并聯(lián)模塊實際能提供的總的額定電流
        IM--單個模塊的最大額定電流
        N--并聯(lián)模塊的數(shù)量
  由式(5.7)得：

 
 

  因此如果知道并聯(lián)的降容系數(shù)，就可以得到所能提供的總電流，從而確定選擇的IGBT模塊電流是否符合輸出要求。如果求的總電流小于實際所需的輸出電流，則應選擇更大容量的IGBT模塊。

  一般來說，對于不同電壓等級可以參照如下比例降容：

  以上降容系數(shù)不是絕對的，還與器件散熱、電路設計有關，如果散熱做的好，降容系數(shù)可以更低，甚至不降容，同樣可以輸出所需的總電流；如果散熱條件不佳，可以把降容系數(shù)選的更大。
 
  2. IGBT并聯(lián)動態(tài)均流的研究

  IGBT 的轉移特性、開啟電壓的不一致均會帶來動態(tài)不均流，同時驅動信號不一致以及柵極驅動電路的輸出阻抗特性對于IGBT并聯(lián)動態(tài)均流的影響最大。

  圖4所示為不同轉移特性的并聯(lián)lGBT模塊比較。可見，轉移特性斜率較大的IGBT模塊在并聯(lián)時承受的電流較大。

 

  并聯(lián)IGBT驅動信號不一致時，會出現(xiàn)IGBT開關過程不一致，很容易出現(xiàn)并聯(lián)動態(tài)不均流。圖5所示為IGBT并聯(lián)驅動器常用的連接方式。圖5(a)采用一個驅動器驅動三個并聯(lián)的lGBT，可以保證驅動信號一致，但這種方式要求驅動器必續(xù)有足夠的驅動功率；圖5(b)采用三個相同的驅動器分別驅動三個并聯(lián)的lGBT，這種方式對驅動功率要求降低了，但對于驅動器輸出驅動信號一致性的要求更高；圖5(c)采用的是主從式并聯(lián)驅動方式，其中主驅動器驅動一個IGBT模塊，同時主驅動器給兩個從驅動器傳輸PWM信號，這種連接方式對于主從驅動器信號傳輸一致性的要求也較高。

 

  lGBT并聯(lián)時，由于各支路阻抗特性不一致導致其充放電時間不一致，會導致各并聯(lián)支路動態(tài)的不均衡。因此柵極驅動電路的輸出阻抗特性對于IGBT并聯(lián)動態(tài)均流有很大影響。

  圖2中，把Rg1變?yōu)?歐，Rg仍為2歐，仿真波形如圖6所示。由波形可以看出，柵極電阻較小的IGBT在開通階段，由于其開通過快，分擔的電流較大；在關斷階段，又因其關斷過快，使得柵極電阻較大的IGBT分擔較大的電流。

 

 
  3. IGBT井聯(lián)均流的方法

  為了更好的實現(xiàn)IGBT并聯(lián)均流，下面依次從模塊選擇、驅動柵極電阻、專用集成驅動器選擇、器件降容、電路布線等五個方面說明解決IGBT并聯(lián)應采取的方法。
  (1)模塊選擇。IGBT模塊內(nèi)部參數(shù)及輸出、轉移特性不一致時容易導致靜態(tài)動態(tài)不均流。因此在選擇IGBT并聯(lián)時，最好選擇同一型號同一批次的IGBT，以保證管子的參數(shù)和特性一致，保證并聯(lián)均流。
  (2)驅動柵極電阻。驅動輸出阻抗特性對于IGBT并聯(lián)均流有很大影響。為了避免寄生振蕩，一般并聯(lián)模塊的各支路應分別使用單獨的柵極電阻，并保證柵極電阻阻值一致。
  (3)模塊的驅動一定要做到同步一致，最好選用驅動能力強的驅動器，用同一驅動信號同時驅動并聯(lián)模塊。
  (4)器件降容，通過器件的降容率，可以得到并聯(lián)模塊輸出的總電流，進而選擇合適的IGBT模塊。即使在模塊參數(shù)不一致的情況下，仍可以滿足輸出電流容量的要求。
  (5)IGBT并聯(lián)布線應遵照以下幾點原則來進行：電路布局要盡量做到對稱，驅動電路模塊的柵極-發(fā)射極間引線要盡量短，并且應采用雙絞線，使回路的等效阻抗一致。主回路中的元件布局和引線位置應對稱，引線長短一致，并且盡量短。接線應采用截面積較大的銅排，各模塊應平行放置，引線盡量靠近一致，以減小回路中寄生電感及不平衡性。CE間引線也應該從并聯(lián)模塊的中間引出，且不能與直流進線平行，以避免干擾。
  (6)針對柵極串聯(lián)電阻，各支路要分別接相同阻值的電阻，且可以采用如圖7的方法：將 2/3RG的阻值接在柵極，而1/3RG阻值的電阻接在發(fā)射極上，這樣有利于并聯(lián)運行的均流。