IGBT的并联运行方案

一般来说，由于IGBT对过电压比较敏感，IGBT是不进行串联运行的。并联运行的目的是增加电流容量，电流的平衡是至关重要的，一旦不平衡情况严重，将烧坏管子。电流的平衡包括静态平衡和动态平衡，动态平衡即导通瞬间和关断瞬间的平衡，静态平衡为导通状态下的平衡，这些平衡问题应该在应用中加以考虑。影响电流平衡的因素较多，表1-9给出在不同的运行状态时影响电流平衡的主要因素。

表1-9 IGBT并联驱动时的影响因素

以下对并联运行的某些具体问题给予简单介绍。

1.4.9.1 并联运行时的不平衡因子

IGBT的并联运行通常采用直接并联的方法，即IGBT的栅极、集电极、发射极端子分别直接连接，图1-35所示为两个IGBT的直接并联。IGBT并联后，因并联连接的IGBT的输出特性的差异，发生电流不完全平衡。

其不平衡情况是否严重，用不平衡因子度量。假设有n个IGBT并联，如果I_C（ave）表示各集电极电流的平均值，则其值如下：

式中 I_C1——第一个IGBT的集电极电流；

I_C2——第二个IGBT的集电极电流；

︙︙

I_Cn——第n个IGBT的集电极电流。

当不平衡出现时，其中有一个IGBT的集电极电流将达到最大，用I_Ci（max）表示，这时不平衡因子α定义如下：

α的值越大，说明越不平衡，α=0时为绝对平衡。在并联运行时，有一个IGBT的集电极电流达到最大，它的值是I_Ci（max），此值绝对不允许大于集电极电流I_CN，即应该满足：

I_Ci（max）≤ICN（1-12）

将式（1-12）代入式（1-11），可以得到

因此，可以得到并联后总的最大集电极电流I_C（pa）为

也就是说，在IGBT并联运行时，如果预先知道不平衡因子α，那么由式（1-14）可以求出并联后的最大电流。

1.4.9.2 稳态导通时的电流平衡

图1-35 两个IGBT的并联

并联运行的IGBT在稳定导通时，影响电流不平衡的因素有：集电极-发射极饱和电压U_CE（sat）的不均匀性造成电流的不均衡及主电路配线电阻部分的不均匀性。

1.集电极-发射极饱和电压U_CE（sat）的不均匀性 如图1-36所示，可得VI₁和VI₂的输出特性方程为

式中 r₁、r₂——输出特性曲线斜率的倒数，由图1-36得

设VI₁+VI₂并联总电流为

I_C=I_C1+I_C2（1-19）(www.xing528.com)

则联立式（1-15）～式（1-19）有

由式（1-20）、式（1-21）可见，由于U_CEQ1、UCEQ2的不均匀性，造成I_C1≠I_C2，电流不平衡。因此，要得到良好的电流分配，需要将U_CE（sat）不均匀性小的器件并联在一起。

图1-36 IGBT输出特性

2.主电路配线电阻部分的不均匀性 图1-35中表示出了主电路配线的电阻部分，由于发射极侧的电阻相对集电极侧电阻对电流分配影响非常小，可以忽略不计。由于电阻的存在，使IGBT的输出特性向U_CE（sat）侧倾斜，集电极电流变小。另一方面，由于电阻部分由集电极电流流过，产生电位差，使栅极-发射极电压的实际值变小，由图1-21可知，栅极-发射极电压越小，其输出特性越平缓，集电极电流越小。因此，如果R_E1＞R_E2，VI₁的输出特性曲线比VI₂平缓，进而，I_C1＜I_C2，产生电流分配不平衡问题。为了降低这种不平衡，集电极侧的配线需要尽量缩短，并均等化。

1.4.9.3 导通、关断瞬间的电流平衡

这里所说的导通瞬间是指并联的IGBT在开关方式运行时，从截止状态到导通状态或由导通态到关断态的过渡瞬间。在IGBT并联运行时，主要有两个因素影响导通关断瞬间集电极电流的不平衡分配。这两个因素是器件特性和主电路配线电感。

由于IGBT切换时的电流不均衡，基本上可认为是导通状态的电流不均衡，因此控制了导通状态下的电流不均衡，就能同时控制切换时的电流不均衡。

另一方面，主电路配线电感不均衡对电流分配有影响。与电阻部分相类似，可将图1-35中电阻换为电感进行考虑。IGBT进行切换时，由于集电极电流变化剧烈，在集电极电感的两端产生电压。由于电感电压是阻碍切换工作的，从而延缓了切换时间。因此当电感相差较大时，切换时间会产生偏差，使电流在某一段时间内集中在某个元器件上，造成元器件损坏。为了降低这种不平衡，发射极侧的配线需要尽量缩短，并且分别均等化。

1.4.9.4 并联运行小结

一般来说，在使用IGBT模块并联运行时，应该注意以下几点：

（1）适当安排发射极的连接导线，以减小线路电感，并联的IGBT模块尽可能紧密地配置，配线要尽可能均等化。

（2）并联接线理想原则为“均一并最短”，在实际中应尽量向理想化下功夫。

（3）为了防止栅极配线电感和IGBT输入电容可能产生的寄生振荡，要在IG-BT各栅极上串联栅极电阻。

（4）为避免集电极和发射极的伸出线相互感应，不要将集电极和发射极的伸出线平行配线。

除了要注意以上几点之外，还要根据具体情况，进行如下的计算：

（1）当IGBT的额定值和并联的数量已知时，并联后允许流通的最大电流I_C（pa）计算如下：

假设电流额定值I_CN=100A，6个管子并联，即n=6，α=15%，则将这些值代入式（1-14）得

这说明6个100A的管子并联，最大电流为512A。

（2）当电路要求的电流和并联的IGBT的数量已知时，由式（1-14）可推导出选择管子电流的方法如下：

设电路电流为1000A，6个IGBT并联，则I_C（pa）=1000A，n=6，α=15%，那么

（3）当电路电流和管子的电流额定值已知时，由式（1-23）得到确定并联管子数目的方法如下：

若要求电路电流为1000A，使用300A的管子，将I_C（pa）=1000A、I_CN=300A，α=15%代入式（1-25）得

这说明有4个300A的管子并联就能满足要求。