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隨著市場對兆瓦級大功率變流器的需求與日俱增,IGBT并聯(lián)方案目前已成為一種趨勢。這主要源于IGBT并聯(lián)能夠提供更高電流密度、均勻熱分布、靈活布局以及較高性價比(這取決于器件及類型)等優(yōu)勢。
一、并聯(lián)IGBT之間靜態(tài)與動態(tài)性能的差異會影響均流,使得有效目標輸出電流不得不被降額。通常,降額系數(shù)是根據(jù)zui差的并聯(lián)情況進行假定,但這種假設(shè)在實際應用中并不合理,且被過高估計,這也會增加客戶設(shè)計成本。從統(tǒng)計角度方面,差異性很大的模塊并聯(lián)概率是很小的,且IGBT參數(shù)之間偏離可以忽略。從均流角度方面,并聯(lián)設(shè)計好壞對降額起關(guān)鍵性的作用,且遠大于IGBT自身參數(shù)差異性所引起的問題。因此,并聯(lián)應重點考慮如何通過設(shè)計確保均流,而不是把重心放在模塊參數(shù)偏離所造成的影響。表一為說明哪些因素會引起均流的差異。并聯(lián)設(shè)
計將集中在這些因素上面以優(yōu)化驅(qū)動回路、功率換流回路、模塊布局以及冷卻條件等, 其目的是確保每個并聯(lián)支路盡可能實現(xiàn)對稱。
二、 驅(qū)動回路
1、 設(shè)計方案
柵極驅(qū)動回路設(shè)計對于并聯(lián)應用實現(xiàn)動態(tài)均流起到至關(guān)重要的作用。如圖一所示為通常較多采用簡單的、性價比高的單個驅(qū)動器方案,容易實現(xiàn)較好的動態(tài)均流。有時直接在每個并聯(lián)的模塊上安裝具有峰值電流放大功能的有源適配器板,這樣將盡可能地靠近IGBT的輔助端子,達到降低驅(qū)動回路寄生電感以及對稱性的目的。這種方案降低了驅(qū)動回路之間的傳輸延時差,容易使并聯(lián)IGBT之間的柵極電壓同步,實現(xiàn)的動態(tài)均流。而且有源適配板的采用可以降低驅(qū)動核的電流密度,加速并聯(lián)IGBT的開通過程,也容易實現(xiàn)用小電流、低成本的驅(qū)動器實現(xiàn)
并聯(lián)。
圖二為另一個驅(qū)動器方案,每個IGBT分別由各自的驅(qū)動核和驅(qū)動回路實現(xiàn)并聯(lián)驅(qū)動。這個相對于單驅(qū)動器而言,略顯復雜、成本也高。可采用低峰值電流的標準驅(qū)動器,易實現(xiàn)短距離連接。不過,不同驅(qū)動器之間的傳播延時不匹配是影響動態(tài)均流的主要因素,也比較難以控制。
2、 連接電纜
圖三為驅(qū)動回路寄生電感的分布情況。有時,由于安裝空間和位置的限制,必須將連接電纜纏繞起來或走很遠距離,這都會導致較大的回路寄生電感,引起IGBT開關(guān)過程變慢,也導制開關(guān)過程損耗增加。在一些特定開關(guān)條件下IGBT模塊的寄生電容和等效寄生電感可能造成柵極嚴重振蕩問題,近而可能導致柵極過電壓。在通常情況下,電纜長度或柵極驅(qū)動器環(huán)路PCB走線的差別可能會導致并聯(lián)IGBT動態(tài)電流出現(xiàn)不平衡。圖四為在不同電纜長度條件下(藍色:10厘米;綠色:25厘米 )的開關(guān)過程,其中連接電纜較短的IGBT開關(guān)速度較快,引起瞬間開通電流偏大,相反電纜很長的IGBT關(guān)斷過程也較慢,引起瞬間關(guān)斷電流偏大。因此,關(guān)聯(lián)IGBT驅(qū)動所用的連接電纜一定要用相同長。
3 均衡措施
合理的驅(qū)動回路布局和設(shè)計可以獲得出更好的并聯(lián)性能。
建議以下設(shè)計準則:
① 使驅(qū)動柵極與IGBT之間的驅(qū)動回路具有zui小的環(huán)路面積,以期較低的寄生電感。
② 驅(qū)動輸出與IGBT柵極之間的雙絞線或扁平連接電纜應盡可能短地實現(xiàn)對稱連接。
③ 避開將驅(qū)動回路 PCB 引線或連接電纜的布局或安裝處于由于IGBT開關(guān)所產(chǎn)生電位變化的位置上。
④ 可加裝屏蔽層。
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