IGBT模塊并聯的挑戰是在考慮不同模塊參數的情況下了解功率轉換器的必要降額。這種理解對于在熱和安全操作限制內正確并行運行模塊非常重要。本文介紹了如何分析模塊參數對功率模塊并聯運行的均流和開關能量不平衡的影響的方法。

模塊工作期間的電流不平衡可能是由并聯功率模塊的特性（例如正向電壓不同）和電源轉換器本身的設計引起的。電源模塊的接口，如直流側和交流側的電源連接、柵極驅動器的設計、柵極驅動器與電源模塊的連接等，對并聯模塊的靜態和動態電流不平衡都有影響。

影響并聯電源模塊性能的各種因素的概述如圖1所示。

在下圖中，重點是分析IGBT和二極管特性與并聯電源模塊中的電流不平衡有關。對于以下分析，考慮了均勻的冷卻條件。

圖1.影響并聯電源模塊性能的因素。

評估設置和測試示例

每個軌道車輛制造商都有自己獨特的轉換器設計，因此如果沒有標準化的測試設置，半導體制造商很難進行具有代表性的功率模塊分析。地平線2020項目“Shift2Rail”［2］中討論了這一困難。項目成員同意在半導體供應商和功率轉換器制造商之間定義一個標準化接口，以討論功率模塊的降額問題。參考設置如圖2所示。參考設置的目標之一是盡可能減少外部組件對并聯電源模塊電流不平衡的影響。在直流側，每個電源模塊都有一個單獨的直流母線電容器;交流電源連接通過寬母線進行，模塊下方有一個中央負載連接。僅將一個中央柵極驅動器與低電感接口板結合使用，以控制并聯模塊。

圖2.用于并行評估的參考測試設置

選擇參考測試設置來研究模塊并聯。采用LV100封裝的CM450DA-66X模塊是具有代表性的X系列電源模塊，被選為被測器件進行評估和分析。采用硅芯片組和鋁基板的 X 系列產品陣容如表 1 所示。這些功率模塊采用最新的 X 系列第 7 代尖端芯片組，帶有 CSTBT（III） 溝槽 IGBT 和 RFC 二極管。IGBT和二極管芯片在寬電流范圍內均具有正向電壓溫度系數。如果溫度不均勻分布在散熱器上，則此功能有利于在運行期間并聯連接的模塊之間進行熱平衡。集成在模塊中的NTC溫度傳感器可以監控每個并聯模塊的外殼溫度。此外，X系列的雙功率模塊使用帶有集成AlN陶瓷絕緣的新型創新鋁基板，即所謂的MCB（金屬鑄造直接粘合）基板。與傳統結構相比，新的基板結構具有明顯更小的結殼熱阻，這允許輸出功率增加或降低工作結溫。此外，三菱電機的 X 系列功率模塊還為要求苛刻的鐵路應用提供了功能，例如外殼材料的高 CTI 值、局部放電測量、高質量控制和可追溯性。

表 1.LV/HV100 X 系列產品陣容。圖片由 Bodo 的動力系統提供 ［PDF］

功率模塊參數與并聯開關波形的相關性

為了研究不同IGBT功率模塊參數對均流的影響，測量了十對不同功率模塊的并聯。然后，執行線性回歸分析，以關聯開關波形的特性和電源模塊參數。

被測器件是采用 LV100 封裝的 3.3 kV/450 A （CM450DA-66X） 電源模塊。這些器件在其電氣參數中顯示出自然分布。因此，集電極-發射極飽和電壓范圍為2.61 V至2.81 V，柵極-發射極閾值電壓范圍為6.56 V至7.70 V，二極管正向電壓范圍為2.20 V至2.45 V。分析了這十對在導通、關斷和反向恢復期間的開關特性。

關斷開關分析

圖3顯示了兩個示例性關斷測量結果。當IGBT器件參數相似時，可以實現良好的均流。相反，在功率模塊參數不同的情況下，負載電流在功率模塊之間分配不均。

通過對10對的線性回歸分析，確定了IGBT功率模塊參數與開關特性之間的相關性。研究發現，穩態電流ΔI的差異C僅與集電極-發射極電壓的差異相關。其他功率模塊參數微不足道（決定系數《95%）。線性回歸分析導致當前不平衡的以下關系。詳情請參考［3］。

［frac{Delta I_{C}}{IC_{avg}}approx-0.56V^{-1}cdotDelta V_{CEsat}］ （1）

導通開關分析

圖4顯示了兩個電源模塊并聯時的導通開關波形。如果功率模塊參數相似，則兩個功率模塊之間將平均分配電流。但是，當功率模塊不同時，預計功率模塊之間的均流不等。

研究發現，均流與柵極-發射極閾值電壓差ΔV相關基（千）以及互補續流二極管 ΔV 的正向電壓差電子商務。線性回歸分析導致當前不平衡的以下關系。

（a） 類似的設備參數

（b） 不同的設備參數

圖3.示例關斷波形（綠色：V通用 電氣10V/格，藍色：IC1150A/格，黃色：IC2150A/格，紅色：V行政長官500V/格，2.0微秒/格）。圖片由 Bodo 的動力系統提供 ［PDF］

（a） 類似的設備參數

（b） 不同的設備參數

圖4.示例導通波形（綠色：V通用 電氣10V/格，藍色：IC1300A/格，黃色：IC2300A/格，紅色：V行政長官500V/格，2.0微秒/格）。圖片由 Bodo 的動力系統提供 ［PDF］

（a） 類似的設備參數

（b） 不同的設備參數

圖5.示例反向恢復波形（藍色：IC1300A/格，黃色：IC2300A/格，紅色：V行政長官500V/格，2.0微秒/格）。

［frac{Delta I_{C}}{IC_{avg}}approx-0.18V^{-1}cdotDelta V_{EC}-0.18V^{-1}cdotDelta V_{GE（th）}］ （2）

二極管反向恢復開關

二極管反向恢復的示例性開關結果如圖5所示。同樣，如果電源模塊參數相似，則兩個功率模塊之間的電流平均分配。如果電源模塊參數不同，則靜態電流和峰值反向恢復電流的差異變得明顯。

線性回歸分析表明，靜態均流僅與二極管正向電壓ΔVEC的差異相關。發現其他電源模塊參數無關緊要。找到當前不平衡的以下關系。

［frac{Delta I_{E}}{IE_{avg}}approx-0.78V^{-1}cdotDelta_{EC}］ （3）

降額計算高達并聯六倍

根據電流和能量的降額系數，可以定義兩個以上模塊并聯時所需的降額。為此，假設其中一個并聯模塊具有最小特性（導致最大開關能量或電流），而所有其他模塊具有最大特性（導致最小開關能量或電流）。通過使用以下公式，可以計算出兩個以上并聯模塊的集電極電流的降額比。

參數 n 是并聯模塊的數量。參數 x 是通過測量兩個并聯模塊（例如 （?IC/ICavg 根據 （1） 和 （2） 或 （?IE/IEavg 根據 （3）））確定的不平衡比。因此，可以定義對分組參數的降額依賴關系，如圖 6 所示。該圖已經表明，由回歸分析確定的置信區間對于多個功率模塊的降額比也非常有用。

［frac{I_{C，max}}{I_{C，avg}} - 1 = frac{I_{C，max}}{left（ （eta -1） I_{C，min} + I_{C，max}right）/eta} - 1 frac{eta cdot I_{C，max}}{left（ （eta -1）left（ frac{1-x}{1+x} right） I_{C，max} + I_{C，max}right）} - 1frac{eta}{left（ （eta -1）left（ frac{1-x}{1+x} right） + 1 right）} - 1］

圖6. 集電極電流降額比與正向電壓差的關系。

圖7.6次并聯的開關波形（條件：V抄送= 1800V， Ic= 2700A（每個器件 450A），Tj= 150°C， V通用 電氣= +15V / -9V， RG（開）= 2.7Ω， RG（關閉）= 62Ω， C通用 電氣= 33nF）。

結論

本文介紹了一種研究電源模塊參數對并聯開關特性影響的方法。對于每種開關類型，IGBT關斷，導通和二極管反向恢復，研究了不同器件參數的影響。僅考慮重要參數，提供模型來計算任意器件參數上開關特性的差異。顯示了如何將結果傳輸到具有兩個以上設備的并行連接。最后，確認并聯連接中的六個器件之間的均質均流。開關波形證明，通過精心設計的轉換器布局和配對良好的LV100模塊，可以實現理想的均流。
審核編輯：陳陳