大功率系統(tǒng)需要并聯(lián) IGBT來處理高達數(shù)十千瓦甚至數(shù)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，有時也是為了系統(tǒng)冗余。部件之間的工藝變化以及布局變化，會影響并聯(lián)器件的靜態(tài)和動態(tài)電流分配。

本白皮書將探討IGBT并聯(lián)的技術(shù)要點，第一篇“IGBT的并聯(lián)知識點梳理：靜態(tài)變化、動態(tài)變化、熱系數(shù)”，我們介紹了靜態(tài)變化、動態(tài)變化、熱系數(shù)。本文將繼續(xù)介紹柵極電阻、經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

柵極電阻

關(guān)于柵極驅(qū)動和返回路徑的阻抗匹配問題，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)于這個問題的大多數(shù)討論，都建議必須使用單獨的柵極驅(qū)動電阻。為每個 IGBT 提供一個柵極電阻可降低并聯(lián)器件之間發(fā)生振蕩的可能性，但同時也會增加器件的開通和關(guān)斷時間及特性曲線的差異性。

如果使用一個共用柵極電阻，在不引起振蕩的情況下，電流波形將更加匹配，因為兩個柵極同時處于相同的電位。

圖 1 和圖 2 顯示了兩個并聯(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 進行測試，以便在使用不匹配的器件時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，請參見下面的 "經(jīng)驗數(shù)據(jù) "部分。

上面標有 IGBT 編號的波形是集電極電流，下面的曲線是集電極電壓。

在此測試中，使用兩個 22 Ω 電阻進行驅(qū)動，并帶有單獨的柵極電阻；使用一個 11 Ω 電阻進行驅(qū)動，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對電流均衡產(chǎn)生影響，但它確實大大改善了開關(guān)波形的匹配。

如果器件之間出現(xiàn)振蕩，則有必要為每個 IGBT 使用單獨的電阻；即使在這種情況下，也可以使用一個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(jié)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(gòu)建完成，可以很容易地在兩個極端之間調(diào)整電阻值，以盡可能地匹配開關(guān)特性，同時消除兩個 IGBT 之間的振蕩。

經(jīng)驗數(shù)據(jù)

對一組 NGTB40N60IHL IGBT 進行序列化，并測試了導通損耗和開關(guān)損耗。然后根據(jù)導通損耗和總開關(guān)損耗繪制了這些數(shù)據(jù)。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 樣品的散點圖

以下三個示波器軌跡顯示了兩個最佳匹配器件（2 號、26 號）的集電極-發(fā)射極電壓和集電極電流


圖 5. 匹配器件的開通波形

盡管兩個器件非常匹配，但開啟時的電流還是存在差異。不過，這種不平衡不會持續(xù)很長時間，由于VCE(sat)參數(shù)的匹配，穩(wěn)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，盡管兩個器件的導通曲線并不相同，但電流趨于一致，關(guān)斷波形也完全相同。使用單個柵極驅(qū)動電阻重現(xiàn)圖 7，波形沒有變化。

還應(yīng)注意的是，我們是根據(jù)總開關(guān)損耗對IGBT進行匹配的，因此單個開通和關(guān)斷損耗可能并不完全匹配。


圖 8. 不匹配器件的開通波形


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，開通和關(guān)斷的路徑相似，但導通電流在整個脈沖持續(xù)時間內(nèi)存在顯著差異。

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(shù)差異。熱管理系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮到這些差異。VCE(sat)參數(shù)對兩個（或多個）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(shè)置用于測試IGBT并生成本應(yīng)用說明中的波形。盡量匹配兩個IGBT之間的阻抗。雖然有兩個驅(qū)動器，但實際測試中只使用了一個，因此驅(qū)動器不會造成時序差異。


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(qū)動電壓。
使用公共柵極電阻器，除非發(fā)生振蕩。

結(jié)語

本應(yīng)用說明討論了與并聯(lián) IGBT 相關(guān)的幾個問題。選擇較高的柵極驅(qū)動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(shè)計的可靠性。