大功率IGBT并联驱动电路设计

随着工业的发展，对于IGBT的电压等级和电流等级的要求也越来越高。目前国内外市场上IGBT电压等级最高为6500V，电流等级最大到3600A。对于中小功率应用场合，完全可以采用较高电压等级和较大电流等级的IGBT来满足对系统更高的要求，通常1700V和1000A的IGBT就可以满足要求，而且市场供应量充足，价格适中。但在高压大功率场合，若对IGBT的电压和电流要求接近市场上的较大值时，如6500V的IGBT，价格昂贵，且国外对中国有出口限制(不能用于军事用途)，此时就要考虑采用IGBT并联和串联扩容。由于IGBT的特性依赖于其结构和工艺参数，lGBT并联和串联时存在静态和动态不均流和不均压，除了选择参数一致的IGBT模块外，通过设计适当的驱动电路也是解决IGBT并联和串联存在的问题的有效途径。
 
  1. IGBT并联静态均流的研究
  当两个及以上IGBT并联时，由于模块不一致的静态和动态特性会导致电流分配不均。在IGBT处于稳态运行时，影响均流的因素主要是IGBT的输出特性。如图1所示，两个输出特性不一致的IGBT并联运行时，饱和导通压降VCEsat低的管子会分担更多的电流。

 

图1 IGBT模块输出特性比较
 

  图中，V01，V02-Q1，Q2的集电极电流为零时对应的集射极电压ΔV1，ΔV2-电流为IC1，IC1时对应的两管通态电压变化量。
  Q1，Q2的输出特性可近似描述为：

  Q1，Q2并联，有：

  由此可见，当V01～V02时，IGBT的通态电阻(即输出特性斜率的倒数VCE/IC)是影响电流不均衡的主要因素。因此为了实现静态均流，应选择饱和压降一致的IGBT模块。

图2 仿真电路图
 

 针对IGBT输出特性对静态均流的影响做仿真，IGBT模块选择三菱CM600HA-24H，额定电流600A，额定电压1200V，饱和压降2.5V。同时选择CM600HA-28H模块，额定电流600A，额定电压1400V，饱和压降3.1V。负载0.8欧，直流电压800V，稳态负载电流为1000A。仿真电路如图2所示。

  静态均流仿真波形如图3所示。

图3 并联静态均流仿真波形
 

  稳态时两个管子每个应分担500A电流，但由仿真结果可以看出，饱和压降较低的CM600HA-24H在稳态时承担电流约630A，饱和压降较高的CM600HA-28H在稳态时承担电流约370A。

  由于饱和压降对并联器件均流的影响，在实际应用中，针对两个饱和压降不一致的器件并联时，应采用降低容量的方法。定义电流降容系数δ

  式中，Ir--并联模块实际能提供的总的额定电流
        IM--单个模块的最大额定电流
        N--并联模块的数量
  由式(5.7)得：

  因此如果知道并联的降容系数，就可以得到所能提供的总电流，从而确定选择的IGBT模块电流是否符合输出要求。如果求的总电流小于实际所需的输出电流，则应选择更大容量的IGBT模块。

  一般来说，对于不同电压等级可以参照如下比例降容：

1200V器件：降容15%
1700V器件：降容20%
 

  以上降容系数不是绝对的，还与器件散热、电路设计有关，如果散热做的好，降容系数可以更低，甚至不降容，同样可以输出所需的总电流；如果散热条件不佳，可以把降容系数选的更大。
 
  2. IGBT并联动态均流的研究
  IGBT 的转移特性、开启电压的不一致均会带来动态不均流，同时驱动信号不一致以及栅极驱动电路的输出阻抗特性对于IGBT并联动态均流的影响最大。

  图4所示为不同转移特性的并联lGBT模块比较。可见，转移特性斜率较大的IGBT模块在并联时承受的电流较大。

图4 并联模块转移特性比较图
 

  并联IGBT驱动信号不一致时，会出现IGBT开关过程不一致，很容易出现并联动态不均流。图5所示为IGBT并联驱动器常用的连接方式。图5(a)采用一个驱动器驱动三个并联的lGBT，可以保证驱动信号一致，但这种方式要求驱动器必续有足够的驱动功率；图5(b)采用三个相同的驱动器分別驱动三个并联的lGBT，这种方式对驱动功率要求降低了，但对于驱动器输出驱动信号一致性的要求更高；图5(c)采用的是主从式并联驱动方式，其中主驱动器驱动一个IGBT模块，同时主驱动器给两个从驱动器传输PWM信号，这种连接方式对于主从驱动器信号传输一致性的要求也较高。

图5  IGBT并联驱动器连接方式
 

  lGBT并联时，由于各支路阻抗特性不一致导致其充放电时间不一致，会导致各并联支路动态的不均衡。因此栅极驱动电路的输出阻抗特性对于IGBT并联动态均流有很大影响。

  图2中，把Rg1变为4欧，Rg仍为2欧，仿真波形如图6所示。由波形可以看出，栅极电阻较小的IGBT在开通阶段，由于其开通过快，分担的电流较大；在关断阶段，又因其关断过快，使得栅极电阻较大的IGBT分担较大的电流。

图6 仿真波形图

 
  3. IGBT井联均流的方法
  为了更好的实现IGBT并联均流，下面依次从模块选择、驱动栅极电阻、专用集成驱动器选择、器件降容、电路布线等五个方面说明解决IGBT并联应采取的方法。
  (1)模块选择。IGBT模块内部参数及输出、转移特性不一致时容易导致静态动态不均流。因此在选择IGBT并联时，最好选择同一型号同一批次的IGBT，以保证管子的参数和特性一致，保证并联均流。
  (2)驱动栅极电阻。驱动输出阻抗特性对于IGBT并联均流有很大影响。为了避免寄生振荡，一般并联模块的各支路应分别使用单独的栅极电阻，并保证栅极电阻阻值一致。
  (3)模块的驱动一定要做到同步一致，最好选用驱动能力强的驱动器，用同一驱动信号同时驱动并联模块。
  (4)器件降容，通过器件的降容率，可以得到并联模块输出的总电流，进而选择合适的IGBT模块。即使在模块参数不一致的情况下，仍可以满足输出电流容量的要求。
  (5)IGBT并联布线应遵照以下几点原则来进行：电路布局要尽量做到对称，驱动电路模块的栅极-发射极间引线要尽量短，并且应采用双绞线，使回路的等效阻抗一致。主回路中的元件布局和引线位置应对称，引线长短一致，并且尽量短。接线应采用截面积较大的铜排，各模块应平行放置，引线尽量靠近一致，以减小回路中寄生电感及不平衡性。CE间引线也应该从并联模块的中间引出，且不能与直流进线平行，以避免干扰。
  (6)针对栅极串联电阻，各支路要分别接相同阻值的电阻，且可以采用如图7的方法：将 2/3RG的阻值接在栅极，而1/3RG阻值的电阻接在发射极上，这样有利于并联运行的均流。

图7 并联驱动电路示意图

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