【導讀】大功率系統需要并聯(lián) IGBT來(lái)處理高達數十千瓦甚至數百千瓦的負載，并聯(lián)器件可以是分立封裝器件，也可以是組裝在模塊中的裸芯片。這樣做可以獲得更高的額定電流、改善散熱，有時(shí)也是為了系統冗余。部件之間的工藝變化以及布局變化，會(huì )影響并聯(lián)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配。
大功率系統需要并聯(lián) IGBT來(lái)處理高達數十千瓦甚至數百千瓦的負載，并聯(lián)器件可以是分立封裝器件，也可以是組裝在模塊中的裸芯片。這樣做可以獲得更高的額定電流、改善散熱，有時(shí)也是為了系統冗余。部件之間的工藝變化以及布局變化，會(huì )影響并聯(lián)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配。
本白皮書(shū)將探討IGBT并聯(lián)的技術(shù)要點(diǎn)，第一篇“IGBT的并聯(lián)知識點(diǎn)梳理：靜態(tài)變化、動(dòng)態(tài)變化、熱系數”，我們介紹了靜態(tài)變化、動(dòng)態(tài)變化、熱系數。本文將繼續介紹柵極電阻、經(jīng)驗數據。
關(guān)于柵極驅動(dòng)和返回路徑的阻抗匹配問(wèn)題，已有很多論述。眾所周知，阻抗匹配越好，IGBT 的功率和電流均衡就越好。
關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的大多數討論，都建議必須使用單獨的柵極驅動(dòng)電阻。為每個(gè) IGBT 提供一個(gè)柵極電阻可降低并聯(lián)器件之間發(fā)生振蕩的可能性，但同時(shí)也會(huì )增加器件的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間及特性曲線(xiàn)的差異性。
如果使用一個(gè)共用柵極電阻，在不引起振蕩的情況下，電流波形將更加匹配，因為兩個(gè)柵極同時(shí)處于相同的電位。
圖 1 和圖 2 顯示了兩個(gè)并聯(lián)運行的 IGBT，分別使用了單獨和共用的柵極電阻。
圖 1. 獨立柵極電阻的關(guān)斷波形
圖 2. 共用柵極電阻的關(guān)斷波形
我們特意挑選了特性不同的 IGBT 進(jìn)行測試，以便在使用不匹配的器件時(shí)可以看出它們之間的差異。有關(guān)所使用的 IGBT 測試的更多信息，請參見(jiàn)下面的 "經(jīng)驗數據 "部分。 上面標有 IGBT 編號的波形是集電極電流，下面的曲線(xiàn)是集電極電壓。 在此測試中，使用兩個(gè) 22 Ω 電阻進(jìn)行驅動(dòng)，并帶有單獨的柵極電阻；使用一個(gè) 11 Ω 電阻進(jìn)行驅動(dòng)，并帶有共用柵極電阻。IGBT為 40 A、600 V、NGTB40N60IHL 器件。 從示波器截圖中可以看出，盡管共用柵極電阻不會(huì )對電流均衡產(chǎn)生影響，但它確實(shí)大大改善了開(kāi)關(guān)波形的匹配。 如果器件之間出現振蕩，則有必要為每個(gè) IGBT 使用單獨的電阻；即使在這種情況下，也可以使用一個(gè)共用電阻與單獨的電阻串聯(lián)。
圖 3. 共用柵極電阻和單獨柵極電阻結合使用
圖 3 所示電路采用了共用和單獨柵極電阻的組合。一旦構建完成，可以很容易地在兩個(gè)極端之間調整電阻值，以盡可能地匹配開(kāi)關(guān)特性，同時(shí)消除兩個(gè) IGBT 之間的振蕩。 對一組 NGTB40N60IHL IGBT 進(jìn)行序列化，并測試了導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。然后根據導通損耗和總開(kāi)關(guān)損耗繪制了這些數據。選擇兩組器件。1 號和 26 號單元用于測試不同的器件，2 號和 27 號單元用于測試相似的器件。
圖 4. NGTB40N60IHL IGBT 樣品的散點(diǎn)圖
以下三個(gè)示波器軌跡顯示了兩個(gè)最佳匹配器件（2 號、26 號）的集電極-發(fā)射極電壓和集電極電流
圖 5. 匹配器件的開(kāi)通波形
盡管兩個(gè)器件非常匹配，但開(kāi)啟時(shí)的電流還是存在差異。不過(guò)，這種不平衡不會(huì )持續很長(cháng)時(shí)間，由于VCE(sat)參數的匹配，穩態(tài)電流基本相等。
圖 6. 匹配器件的關(guān)斷波形
圖 7. 匹配器件的脈沖波形
從上述波形可以看出，盡管兩個(gè)器件的導通曲線(xiàn)并不相同，但電流趨于一致，關(guān)斷波形也完全相同。使用單個(gè)柵極驅動(dòng)電阻重現圖 7，波形沒(méi)有變化。 還應注意的是，我們是根據總開(kāi)關(guān)損耗對IGBT進(jìn)行匹配的，因此單個(gè)開(kāi)通和關(guān)斷損耗可能并不完全匹配。
圖 8. 不匹配器件的開(kāi)通波形
圖 9. 不匹配器件的關(guān)斷波形
圖 10. 不匹配器件的脈沖波形
對于不匹配的 IGBT，開(kāi)通和關(guān)斷的路徑相似，但導通電流在整個(gè)脈沖持續時(shí)間內存在顯著(zhù)差異。 雖然最好能有完美適配的器件，但也可以容忍一定程度的參數差異。熱管理系統的設計必須考慮到這些差異。VCE(sat)參數對兩個(gè)（或多個(gè)）器件之間的功率損耗差異影響最大。 上述所有波形均使用 11 Ω 的公共柵極電阻。
測試電路板
圖 11. 用于并聯(lián)測試的測試板和散熱器
此設置用于測試IGBT并生成本應用說(shuō)明中的波形。盡量匹配兩個(gè)IGBT之間的阻抗。雖然有兩個(gè)驅動(dòng)器，但實(shí)際測試中只使用了一個(gè)，因此驅動(dòng)器不會(huì )造成時(shí)序差異。
圖 12. 測試電路圖
并聯(lián)器件檢查清單 盡可能匹配電氣阻抗。 盡可能匹配熱阻抗。 保持較高的柵極驅動(dòng)電壓。 使用公共柵極電阻器，除非發(fā)生振蕩。
本應用說(shuō)明討論了與并聯(lián) IGBT 相關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題。選擇較高的柵極驅動(dòng)電壓和正確的柵極電阻配置，對于電流均衡與匹配的熱布局和電氣布局同樣重要，參考本文探討的信息將有助于確保設計的可靠性。
文章來(lái)源：安森美
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