大容量IGBT并聯(lián)均流檢測技術研究

王位，李衛(wèi)超，林城美

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033）

大容量IGBT并聯(lián)均流檢測技術研究

王位，李衛(wèi)超，林城美

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033）

采用IGBT器件并聯(lián)的方法是提高裝置輸出電流等級的有效手段，但其帶來的問題是并聯(lián)器件的電流不均衡問題。為檢測并聯(lián)IGBT的均流程度，傳統(tǒng)方法需檢測集電極電流的準確值，存在電路結構復雜、抗擾動能力弱、穩(wěn)定性低等缺點。針對這些不足，設計了一種無需檢測電流值，就可以得到并聯(lián)IGBT開關過程中動態(tài)均流狀況的檢測電路，并通過Simplorer軟件對該電路功能進行了仿真驗證。

大容量；IGBT并聯(lián)；均流檢測；Simplorer仿真

絕緣柵雙極性晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）是綜合了功率場效應晶體管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）結構的復合型器件，具有柵極驅動功率低、工作頻率高、輸出電流大和通態(tài)電阻小等優(yōu)點。雖然目前IGBT容量等級已經(jīng)涵蓋了600 V～6.5 kV的電壓范圍和1～3 600A的電流范圍，但仍然無法滿足不斷增長的大容量電力電子裝置電能處理能力的需求［1］。

采用器件并聯(lián)是提高裝置輸出電流等級的有效手段，其帶來的問題是并聯(lián)器件的電流均衡問題，即導通過程中的靜態(tài)均流和開關暫態(tài)過程中的動態(tài)均流。IGBT模塊并聯(lián)運行時的電流不均將導致模塊負荷分配的不均，使得器件壽命大大縮短，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給系統(tǒng)的運行帶來嚴重的后果。

本文針對大容量IGBT并聯(lián)狀態(tài)下開關暫態(tài)過程中動態(tài)不均流現(xiàn)象進行了研究，設計了一個集電極電流均流檢測方案，通過檢測IGBT器件功率發(fā)射極與輔助發(fā)射極之間雜散阻感在動態(tài)過程中的電壓變化所反映出的并聯(lián)器件開關暫態(tài)的時序和時長，掌握IGBT并聯(lián)模塊動態(tài)不均流度，為后續(xù)的門極補償信號的產(chǎn)生提供有效的參考依據(jù)。

1 IGBT并聯(lián)技術研究現(xiàn)狀

概括來講，對IGBT器件并聯(lián)均流問題的研究主要圍繞均流影響因素和均流改善方法兩方面進行。

1.1 IGBT并聯(lián)模塊均流影響因素

影響靜態(tài)均流的因素主要是IGBT的飽和電壓、集電極電流、工作結溫和回路等效電阻等，其中IGBT的通態(tài)飽和壓降是導致靜態(tài)不均流的主要因素。對于動態(tài)不均流的問題，其影響因素比較復雜，比如：導通閥值電壓、門極電容、門極電阻、結溫、雜散電感、驅動回路等［2-5］。

IGBT的動態(tài)特征參數(shù)主要包括：導通延遲、上升沿時間、截止延遲和下降沿時間。其中，導通延遲和截止延遲對于應用同一觸發(fā)信號的并聯(lián)器件來說，它們是直接決定動態(tài)均流特性的參數(shù)。并且，這2個參數(shù)都與導通閾值電壓和通態(tài)飽和壓降有關［6-8］。

經(jīng)過研究與對比，可將IGBT并聯(lián)模塊均流影響因素總結如表1所示。

表1 IGBT并聯(lián)模塊均流影響因素Tab.1 Current balancing influence factors of parallel connected IGBT modules

表1中各因素影響程度分為“影響大/影響小/無影響”3類。

1.2 IGBT并聯(lián)模塊均流改善方法

改善IGBT并聯(lián)模塊的均流效果主要從2個方面考慮，首先是從并聯(lián)模塊自身的器件特性和電路結構方面進行設計和調整，保證并聯(lián)IGBT模塊的一致性和電路結構的對稱性，及工作環(huán)境的相同性，這是實現(xiàn)并聯(lián)模塊均流的基礎［9］。其次是通過外部的調整措施改善并聯(lián)模塊的均流效果，IGBT并聯(lián)功率模塊靜態(tài)不均流主要是由于IGBT功率模塊靜態(tài)輸出特性差異和并聯(lián)支路回路阻抗不對稱引起的，動態(tài)不均流主要是由于并聯(lián)模塊在開通過程中電流上升沿和關斷過程中電流下降沿的不同步以及電流上升率和下降率的不一致引起的［10］。

IGBT在并聯(lián)應用時一般采取以下3種方法來保證運行的可靠性，即降額使用法、阻抗平衡法和主動門極控制法。其中，主動門極控制法是一種能夠綜合性提高IGBT模塊并聯(lián)均流度的方法，主要通過控制門極驅動信號的延時和幅值實現(xiàn)。該方法首先需測量開關時刻流過各路IGBT模塊的集電極電流大小，求得1個電流平均值，再通過動態(tài)均流控制器可以將各支路電流與平均電流值的差異轉換成延遲或者需提前的時間差，在IGBT模塊的下個開關時刻，利用該時間差對觸發(fā)信號予以補償，從而改善動態(tài)均流，其控制框圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)均流控制框圖Fig.1 Dynamic current balancing control block diagram

實現(xiàn)這一控制策略的關鍵環(huán)節(jié)在于需測量開關時刻流過每路IGBT模塊電流的大小，傳統(tǒng)方法是采用羅氏線圈進行測量，但是該方法存在裝置體積較大、線路敏感度高、抗擾動能力差、穩(wěn)定性低等缺陷。本文針對這一關鍵環(huán)節(jié)設計了1個穩(wěn)定性好、可靠性高的集電極電流不均度檢測電路。

2 IGBT并聯(lián)模塊均流檢測方法

2.1 IGBT并聯(lián)模塊電流檢測原理

在IGBT并聯(lián)模塊中，器件之間的連接導線和螺絲接線端等會產(chǎn)生一些寄生電感，這些寄生電感會降低開關動作速度，但是如果將發(fā)射極分為2個分支，一個分支連接功率回路，另一分支連接門極驅動單元，那么這些寄生電感就可以被用來檢測集電極電流［11-12］，其測量原理示意圖如圖2所示。這就是一種間接的測量方法，在并不需要精確測量電感LE值的情況下，通過檢測輔助發(fā)射極-發(fā)射極電感LE的電壓UAE-E來計算相應集電極電流波形的上升、下降時間及速率。

參數(shù)間關系如下式所示：

圖2 輔助發(fā)射極-發(fā)射極電感電壓測量法Fig.2 Auxiliary emitter-emitter induction voltage measurement

圖2中，C為集電極，G為門極，E為發(fā)射極，AE為輔助發(fā)射極，Df為反并聯(lián)二極管。該方法的優(yōu)勢是不需要準確檢測出IGBT集電極電流的準確值，而是通過檢測UAE-E的電壓信號變化趨勢來判斷IGBT并聯(lián)模塊集電極電流Ic的變化情況，進而反映出并聯(lián)模塊的不均流情況。通過對該信號進行隔離、放大、比較等處理得出IGBT并聯(lián)模塊中各器件導通與關斷的延時td。這一延時可通過門極信號UG在下一個開關周期進行補償，從而在多次迭代后，實現(xiàn)IGBT并聯(lián)模塊集電極電流上升、下降時刻的同步，如圖3所示。

圖3 門極延時補償策略原理圖Fig.3 The principle diagram of the gate delay compensation strategy

2.2 IGBT并聯(lián)模塊均流檢測設計方案

在上述檢測原理的理論基礎上，方案設計過程主要圍繞獲得穩(wěn)定的UAE-E電壓信號和對UAE-E電壓信號做數(shù)字化處理的2個問題，因此，對檢測電路分為測量電路和比較電路2個部分進行設計。測量電路的結構圖如圖4所示。

圖4 測量電路結構圖Fig.4 Measurement circuit diagram

2.2.1 測量電路

IGBT的發(fā)射極分為了2個部分，功率發(fā)射極E和輔助發(fā)射極AE。IGBT的輔助發(fā)射極-功率發(fā)射極電壓信號UAE-E,先經(jīng)過A1的濾波分壓電路，消除電路中的震蕩，再通過A2的阻抗隔離電路，對電壓信號做降噪抗干擾處理，最后通過多級運算放大器A3將電壓信號UAE-E放大，從而得到更為穩(wěn)定的電壓參考信號kUEe，為后續(xù)的比較電路提供參考信號。

2.2.2 比較電路

在測量電路的基礎上，比較電路是對運算放大器的輸出參考電壓信號進行數(shù)字處理的電路。通過1個雙向比較器A4，使運放輸出的參考電壓信號與預設的閥值電壓進行比較，當參考電壓幅值高于閥值電壓幅值時，比較器輸出高電平“1”，相反則保持“0”。由于IGBT并聯(lián)模塊的集電極電流在出現(xiàn)動態(tài)不均的情況時，輔助發(fā)射極-功率發(fā)射極電壓信號UAE-E也會呈現(xiàn)相同趨勢的變化，因此并聯(lián)模塊不同線路上UAE-E的上升時間、尖峰電壓、下降時間等參數(shù)都會因為動態(tài)不均流而呈現(xiàn)出差異，只要適當調整預設的閥值電壓，就可以通過比較器得到所需的時序波形，該時序波形更為穩(wěn)定、直觀地展示出IGBT并聯(lián)模塊集電極電流的不均度，可以為后續(xù)的補償算法設計及門極補償信號的產(chǎn)生提供重要的參考依據(jù)［12］。

3 IGBT并聯(lián)模塊均流檢測裝置仿真研究

在上述設計方案的構架上，通過Ansys15.0中整合的Simploer仿真軟件對該設計方案進行了仿真驗證。

3.1 IGBT仿真模型的建立

Simplorer軟件中半導體器件IGBT分為系統(tǒng)級和器件級2大類。系統(tǒng)級模型是一種理想化的模塊，而器件級模型比較復雜，是考慮了器件內部結構特性的行為模塊。Simplorer中IGBT模型層次分為以下3種：平均IGBT模型、基本動態(tài)IGBT模型和高級動態(tài)IGBT模型。利用平均模型可在基本電性能和熱性能層次上進行建模；而利用動態(tài)模型可以在驅動電路優(yōu)化、EMI/EMC層次上進行建模；為了更好地研究驅動控制策略對IGBT并聯(lián)模塊均流的影響，計劃選用高級動態(tài)模型來建模。

本文根據(jù)裝置實際應用情況，選擇建立型號為FZ3600R17KE3_B2的IGBT參數(shù)化模型，該型器件的額定電壓為1 700 V，額定電流為3 600 A，適用于大容量高電流的工作環(huán)境，其開關特性、轉移特性及二極管反向恢復特性等具體參數(shù)設置均參照datasheet封裝在所建模型內，經(jīng)半橋測試該參數(shù)化模型能夠較好地在仿真過程中體現(xiàn)器件自身的屬性，可作為后續(xù)仿真電路的搭建基礎。

3.2 IGBT并聯(lián)均流檢測仿真電路的建立

基于Simplorer仿真軟件，結合已建立的IGBT參數(shù)化行為模型，參考已確立的設計方案，IGBT并聯(lián)模塊均流檢測單元結構框圖如圖5所示。

圖5 IGBT并聯(lián)模塊均流檢測單元結構框圖Fig.5 Diagram for current balancing detection unit of parallel connected high power IGBT modules

如圖5所示，該仿真電路模擬的是經(jīng)過器件嚴格篩選后，由于工程裝置的設計導致傳輸線路不對稱，從而影響均流效果的情況。具有相同動靜態(tài)特性的IGBT并聯(lián)在直流穩(wěn)壓電源的負載端，除了并聯(lián)支路的傳輸電阻與傳輸電感值、門極電阻值不同外，其他參數(shù)取值保持一致。IGBT功率發(fā)射極-輔助發(fā)射極的電壓經(jīng)過反串聯(lián)穩(wěn)壓二極管構成的穩(wěn)壓電路，在經(jīng)過濾波分壓電路，消除雜散電感引起的震蕩，接著經(jīng)過隔離電路作降噪處理的電壓信號傳入放大電路，將放大信號與預設閥值電壓信號接入雙路比較器，比較器輸出的結果就是所需的用來計算補償信息的參考電壓信號。只要并聯(lián)支路的雙路比較器的輸出結果與并聯(lián)IGBT模塊的集電極電流不均流現(xiàn)象相符，則從原理上驗證了該設計方案的正確性。

3.3 IGBT并聯(lián)均流檢測單元仿真結果分析

圖6 IGBT并聯(lián)模塊均流檢測單元仿真波形Fig.6 Simulation waveforms for current balancing detection unit of parallel connected high power IGBT modules

在上述仿真電路的基礎上，通過Simplorer仿真軟件進行了仿真測試，IGBT并聯(lián)模塊河流檢測單元仿真波形如圖6所示。

圖6a～圖6d向并聯(lián)IGBT模塊的門極提供完全相同的門極雙脈沖驅動信號，以觀查檢測單元在2個開關周期過程中的工作情況。雙脈沖測試中的并聯(lián)IGBT模塊集射極電壓、集電極電流、放大的功率發(fā)射極-輔助發(fā)射極電壓、雙路比較器的輸出信號波形如圖6所示。其中，IGBT_X1支路的仿真波形為實線，IGBT_X2支路的仿真波形為虛線。

上述仿真波形展示了在雙脈沖測試中2路并聯(lián)支路主要器件的動、靜態(tài)過程。由圖6a和圖6b可以觀察到并聯(lián)IGBT模塊的2個開關周期過程中集電極電流和集射極電壓的變化情況；圖6c顯示的是IGBT經(jīng)歷的4個通斷動態(tài)過程中經(jīng)穩(wěn)壓放大后的功率發(fā)射極-輔助發(fā)射極電壓波形；圖6d則顯示了功率發(fā)射極-輔助發(fā)射極電壓信號與閥值電壓比較的結果。整體的動態(tài)響應過程與原設計相符，下面將分別以仿真0.5 ms開始的導通過程和0.75 ms開始的關斷過程為例進行分析。

3.3.1 IGBT導通過程

IGBT并聯(lián)模塊均流檢測電路導通過程仿真波形如圖7所示。在導通動態(tài)過程中集射極電壓下降，集電極電流上升，隨后2個參數(shù)達到穩(wěn)態(tài)，即進入靜態(tài)導通階段，如圖7a、圖7b所示。

IGBT_X1支路的傳輸阻抗值較小，即傳輸線路較短，因而IGBT_X1先導通，承受了尖峰電流，并較早進入導通靜態(tài)階段。經(jīng)放大的功率發(fā)射極-輔助發(fā)射極電壓主要在動態(tài)過程中會發(fā)生明顯變化，如圖7c所示，通過這一波形就可以反映出圖7a和圖7b 2個波形反映出的信息，即并聯(lián)支路IGBT_X1和IGBT_X2的導通時序：導通動態(tài)過程就是圖7c中波形的上升階段，可明顯觀察出IGBT_X1支路上升較快，對應的信息就是IGBT_X1支路先導通，IGBT_X2支路后導通。另外，導通靜態(tài)階段就是圖7c中波形的拖尾階段，可明顯觀察出IGBT_X1支路拖尾下降較快，對應的信息就是IGBT_X1支路先進入導通靜態(tài)階段，IGBT_X2支路后進入導通靜態(tài)階段，這與之前總結的導通規(guī)律相符。圖7d顯示了圖7c中電壓信號與預設的閥值電壓比較的結果，能夠提供更加直觀穩(wěn)定的時序信息：比較不同支路信號上升沿、下降沿之間的時差，即得到對應閥值電壓下并聯(lián)IGBT模塊的導通延時及先后順序，比較不同支路信號電平的寬度，即得到對應閥值電壓下并聯(lián)IGBT模塊的導通動態(tài)過程時長。

圖7 導通過程IGBT并聯(lián)模塊均流檢測單元仿真波形Fig.7 Simulation waveforms for current balancing detection unit of parallel connected high power IGBT modules when turn on

3.3.2 IGBT關斷過程

以仿真0.75 ms開始的關斷過程為例進行分析，IGBT并聯(lián)模塊均流檢測電路關斷過程仿真波形如圖8所示。波形分析過程與導通過程的分析相似，圖8a和圖8b顯示了IGBT_X2支路先關斷，IGBT_X1支路后關斷的規(guī)律；圖8c中波形的拖尾部分和圖8d中下降沿的時序也反映了相同的關斷均流信息。比較不同支路信號下降沿之間的時差，即得到對應閥值電壓下并聯(lián)IGBT模塊的關斷延時及先后順序，比較不同支路信號電平的寬度，即得到對應閥值電壓下并聯(lián)IGBT模塊的關斷動態(tài)過程時長。

圖8 IGBT并聯(lián)模塊均流檢測單元仿真波形Fig.8 Simulation waveform for current balancing detection unit of parallel connected high power IGBT modules

綜上，通過對仿真結果分析，展示了可將并聯(lián)IGBT模塊的不均流模擬量信息轉化為數(shù)字量信息的過程，驗證了IGBT并聯(lián)模塊均流檢測單元的理論可行性，該單元產(chǎn)生的包含著不均流信息的數(shù)字量將為后續(xù)的門極補償信號的計算與產(chǎn)生提供十分有效可靠的參考。

4 結論

本文設計了一個具有較高可靠性、穩(wěn)定性的并聯(lián)IGBT模塊集電極電流檢測電路，該電路的輸出信號可以有效地顯示出IGBT并聯(lián)模塊的均流情況，因而可以作為產(chǎn)生門極補償信號的參考信號。文中通過Simplorer仿真軟件對檢測電路的設計功能作出了仿真研究，仿真結果表明該檢測單元的功能滿足設計需求，能夠實時并聯(lián)IGBT均流情況，為后續(xù)的電路設計及實驗研究提供了理論依據(jù)，具有較高的參考價值。

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Research on Detection Method for Current Balancing of Parallel Connected High Power IGBT Modules

WANG Wei，LI Weichao，LIN Chengmei
（National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China）

The parallel connection of IGBT modules is an effective approach to increase the current ratings of high power converter.Nevertheless，the major issue of the parallel connection of IGBT modules is the imbalanced currents problem.In order to acquire the unbalance degree，traditional method needs to detect accurate value of collector current using a more complex circuit，which is sensitive and vulnerable.To overcome these drawbacks，a scheme was put forward that could detect the current sharing problem of paralleled IGBT devices in dynamic state effectively without additional current measurements.Finally，the proposed scheme is verified through computer simulation with Simplorer.

high power；parallel connected IGBT；current balancing detection；Simplorer simulation

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20170615

2016-05-30

修改稿日期：2016-10-14

國家自然科學基金項目（51477179）；國家自然科學基金項目（51507184）

王位（1991-），男，碩士研究生，Email：royal_sdw_wei@sina.com