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          一种IGBT并联??橛媒涣髂概诺纳杓品椒?/h1>
          作者:海飞乐技术 时间:2019-12-13 10:39

            将多个IGBT??椴⒘蕴嵘缌魅萘康纳杓品桨腹惴河τ糜诜绲绫淞髌?、光伏逆变器、电动汽车电机控制器等领域。若均流效果不好,则会造成流过较大电流的IGBT器件加速老化,甚至使设备损坏。影响均流效果的因素包括:IGBT器件参数差异性、IGBT驱动器参数差异性、IGBT支路杂散参数的差异性等。为了解决均流问题,采取的常见方法有:①并联??檠∮猛慌蜪GBT器件;②驱动器定制化设计;③交、直流母排采用对称结构设计等。
            在此研究当直流母排结构非对称且己经固定的前提下,如何通过调整交流母排结构改善并联??榈木餍阅?。建立了包含交、直流母排杂散电感的并联??榈刃У缏纺P?,给出了交流母排设计方法。以该设计方法为指导,给某车用电机控制器W相IGBT并联??樯杓屏艘豢罱涣髂概?,实验结果证明了该设计方法的有效性。
           
          1. 交流母排设计方法
          1.1 IGBT并联??榫餍阅艿刃У缏贩治?/strong>
            交、直流母排一般由导电良好的金属导体制成,其汇流点到IGBT端子的阻抗一般是几十至几百微欧。由于电阻值太小,对并联??榫魈匦杂跋炜梢院雎?,因此仅考虑交、直流母排的杂散电感参数对均流特性的影响。
            建立一个包含交、直流母排杂散电感的并联??榈刃У缏纺P?,如图1a所示。该并联??橛闪礁鯥GBT??椴⒘?。其中,L1dc+为直流母排正极汇流点到IGBT1的杂散电感;L2dc+为直流母排正极汇流点到IGBT2的杂散电感;M1为L1dc+,L2dc+支路之间的互感;L1ac为交流母排汇流点到IGBT1的杂散电感;L2ac为交流母排汇流点到IGBT2的杂散电感;M2为L1dc,L2dc支路之间互感;Ligbt为IGBT器件内部寄生电感,由于2个IGBT??榭占渚嗬?br /> 较远,互感影响可以忽略。由图1a可知,P,O两点之间的电路定义为IGBT并联支路,其杂散电感决定了并联??榈木餍阅?。
            当IGBT导通时,P,O两点之间杂散电感承担的电压为:

          计算公式1 
            2个IGBT导通压降可以认为相等,因此认为2个IGBT支路上杂散电感承担的电压也相等。通常情况下,M1+M2显著小于L1dc+Ligbt+L1ac和L2dc+Ligbt+L2ac,i1与i2数值相差不超过10%(i1+i2)。为了分析方便,式(1)可以简化为:
          计算公式2 
            功率组件的等效电路由图1a简化为图1b。由式(2)可推得并联??榈缌鞑痪鞫燃扑愎轿?/span>
          计算公式3 
          一种IGBT并联??橛媒涣髂概诺纳杓品椒? src= 
          图1 功率组件等效电路模型
           
            由式(3)可知,L1与L2数值越接近,并联??榫餍Ч胶?。由L1与L2定义式可知,只要保证L1dc+L1ac与L2dc+L2ac数值接近,则可保证均流效果。反映到实际物理现象,则是并联??榈母鞲鯥GBT支路上直流母排杂散电感和交流母排杂散电感之和越接近越好。
           
          1.2 直流母排杂散电感计算
            在实际应用中,并联??橹械母鞲鯥GBT以多连接点的形式分别和直流母排连接,造成实际产品中直流母排汇流点到各个IGBT的杂散电感难以保证一致,且直流母排一般体积较大,结构不易调整。与直流母排相比,交流母排结构简单,方便调整。因此为了保证良好的均流效果,可以先利用Q3D有限元仿真软件求得直流母排汇流点到各个IGBT的杂散电感值,然后按照与L1dc+L1ac与L2dc+L2ac数值接近的原则,调节交流母排结构,保证组件的均流效果。
            以车用电机控制器W相IGBT并联??槲芯慷韵?,直流母排机械结构如图2所示。并联??橛?个FF600R12ME4半桥??椴⒘槌?,其IGBT端子间杂散电感约为10nH,U,V,W三相空间布局按照自左至右顺序排开。标注正极和负极的端子为直流母排电源输入端;W1P端子连接W相并联??榈?个IGBT半桥??榈纳瞎芗缂?,W1N端子连接W相并联??榈?个IGBT半桥??榈南鹿芊⑸浼?;W2P端子连接W相并联??榈?个IGBT半桥??榈纳瞎芗缂?,W2N端子连接W相并联??榈?个IGBT半桥??榈南鹿芊⑸浼?;U,V相端子定义以此类推;直流母排内部均匀分布15只电容芯子,其正、负极分别与直流母排的正、负极连接。
          直流母排机械结构 
          图2 直流母排机械结构
           
            直流母排电源输入端在实际应用中通过一段电缆和外电源连接,在IGBT正??仄德史段?,该段电缆的阻抗远大于直流母排上电容到IGBT连接端子的阻抗。因此在正常工作时,电容作为直流母排汇流点向IGBT提供瞬态开通电流。简化分析,将15只电容等效成一只电容,W相IGBT并联??榈刃У缏房捎猛?表示。
          功率组件W相等效电路 
          图3 功率组件W相等效电路
            利用Q3D有限元仿真软件对直流母排杂散电感进行仿真计算,得到电容正极到W相IGBT连接端子杂散电感如下:L1dc+=10nH,L2dc+=12.7nH,M1=3.7nH。以下利用Q3D仿真软件计算得到的杂散电感均在2MHz频率下,为IGBT开通上升时间的倒数。
            由第1.1节分析可知,若电容正极到各IGBT的杂散电感不一致,可以按照L1与L2数值接近的原则设计交流母排。为了验证此方法的有效性,重新设计了一款交流母排,通过对比新旧两种交流母排方案下L1与L2的差值及并联??椴痪鞫?,证明该设计方法的有效性。
           
          1.3 交流母排设计
            交流母排分为两种:①原先已经应用的交流母排,记为a结构交流母排;②新设计的母排,记为b结构交流母排,如图4所示。
          交流母排结构 
          图4 交流母排结构
           
            a结构交流母排 利用Q3D仿真软件计算交流汇流点到各个IGBT的杂散电感。计算结果如下:L1dc=28.5nH,L2dc=32.8nH,M2=27.5nH,L1ac<L2ac,这是因为电流从IGBT1流向交流汇流点的过程中,电流方向出现了逆向,这段逆向电流削弱了IGBT1电流产生的磁通,故电感较小。
            b结构交流母排 利用Q3D仿真软件计算交流汇流点到各个IGBT的杂散电感。计算结果如下:L1ac=30.3nH,L2ac=25.7nH,M2=27.5nH。L2ac值较小,这是因为电流从IGBT2流向交流母排汇流点的过程中,电流方向出现了逆向,这段逆向电流削弱了IGBT2电流产生的磁通,故电感较小。
            将a,b母排杂散电感的计算结果以及Ligbt代入L1,L2的表达式及式(3),解得IGBT并联支路综合电感及电流不均流度,如表1所示,其中Δ为电感差值。
          表1 ΔL及ε%对比
          ΔL及ε%对比 
            通过表1数据可知,采用新母排方案可以显著降低IGBT支路杂散电感的差值,改善功率组件的均流性能。
           
          2. 实验
            利用双脉冲斩波实验验证上述两种交流母排方案下并联??榈木餍阅?。电路主要参数如下:电源为400V;负载电感为13μH;IGBT型号为FF600R12ME4。双脉冲实验电路如图5所示,实验波形如图6所示,由于实验环境限制,无法直接测量IGBT电流,实际测量IGBT交流输出电流,其中电流上升阶段代表流过IGBT的电流。从实验电流波形来看,a结构交流母排ε%=4.5%,计算值为4.2%;b结构交流母排计算值为1.2%。由实验结果可见,根据直流母排杂散电感参数,合理设计交流母排结构,可以改善并联??榈木餍Ч?。I1为i1峰值的90%,I2为i2峰值的90%。
          双脉冲实验电路 
          图5 双脉冲实验电路
          实验波形 
          图6 实验波形
           
          3. 结论
            给出了通过调整交流母排结构改善均流效果的方法,借助Q3D有限元仿真软件设计了一款交流母排,仿真计算和电路实验都确认了该设计方法的有效性。




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