我们都遇到过器件电流等级不够，但是又没有更大电流的单个器件，这个时候我们会采用器件并联的方式来获得足够电流等级(当然，有事也是综合考虑成本因素)。今天我们就来聊聊风电中IGBT并联方案的那些事儿~

IGBT模块并联使用可以提高功率开关器件的载流能力。只有当各单个功率模块在静态、动态特性达到理想的对称均衡状态时，才能最大程度地利用并联后的开关器件。对IGBT模块实际应用中的并联而言，应当从两个方面对电流分配不均进行考虑：

❖一方面是器件选型和结构涉及，确保使用同批次且自身数据差异性最小的IGBT，并且要尽量保证主功率回路和驱动回路的对称性；

❖另一方面就是采取一些外部方法对其均流进行控制和优化，一般有：降额法、栅极电阻补偿法、回路阻抗平衡法以及主动门极控制法等。

下面我们就来聊一聊!

1静态均流影响因素

影响IGBT静态均流的因素只要有下面几个方面：IGBT的输出特性、栅极电压、功率回路的阻抗以及IGBT功率模块的温度特性。

①输出特性

在栅极电压VGE=15V时，不同结温情况下的IGBT饱和压降VCE(sat)与集电极电流Ic呈现出不同的曲线特性，如下图：

IGBT转移特性曲线

可以看出，在不同的结温下，VCE(sat)和Ic近似线性，结温Tvj=25℃时的曲线我们可以线性拟合为：

VCE(sat)=rIc Vo

其中，r为通态电阻，Vo为阈值电压，都是与结温有关的参数。

在并联稳态运行时，两并联模块由于输出特性不一致而导致电流分配情况，我们可以参考下图：

根据上式，模块T1和T2的输出特性可以近似描述为

VCE(sat)1=r1Ic1 Vo1

VCE(sat)2=r1Ic2 Vo2

其中，

r1=ΔV1/(Ic1-Ic2)

r2=ΔV2/(Ic1-Ic2)

由于模块T1和T2并联，其集射极两端电压相等，所以有

VCE(sat)1=VCE(sat)2

Ictot=Ic1 Ic2

其中Ictot是通过T1和T2的集电极电流之和，所以综上我们可以分别表示出流过T1和T2的集电极电流：

Ic1=(Vo2-Vo1 r2Ictot)/(r1 r2)

Ic2=(Vo1-Vo2 r1Ictot)/(r1 r2)

我们定义两模块间的电流不均匀流度为IMIS，如下：

IMIS=|Ic1-Ic2|/(Ic1 Ic2)=ΔI/Ictot

=2(Vo2-Vo1)/((r1 r2)Ictot) (r2-r1)/(r1 r2)

同一型号的IGBT，Vo1和Vo2差别不大，根据上式，

IMIS=(r2-r1)/(r1 r2)

所以，在并联应用中，IGBT模块的通态电阻(ΔVce(sat)/ΔIc)将是影响不均流度的重要因素，而且饱和压降较低的模块会承受更多的电流。

②栅极驱动电压

在栅极电压VGE驱动IGBT开通时，集电极电流Ic流过IGBT时会产生一个导通压降Vce。在Datasheet我们会找到这个曲线：

IGBT在不同栅极电压下输出特性曲线

在并联应用中买两个IGBT模块具有相同的集电极电压，所以施加不同的驱动电压，会造成两者的集电极电流Ic存在较大差异，保持驱动电压一致是必要的。

③并联回路的阻抗特性

由于功率单元的母排结构不能完全实现对称，走线长度差异会造成回路阻抗差异，从而影响到IGBT并联均流。阻抗较小的支路会承担较多的电流。下图是并联回路阻抗和均流度的关系曲线：

可以看出，回路之间的阻抗差ΔR越小，均流性能越好。

④温度特性

在额定电流等级下，穿通型IGBT的饱和压降具有负温度系数，随着温度的升高，其饱和压降会降低，在并联时会分得更多的电流；而非穿通型IGBT的饱和压降具有正温度系数，随着温度的升高，其饱和压降会增大，在并联时电流会减小，达到自动均流的效果。

PT型和NPT型IGBT不同温度下的输出特性比较

2

模块的阈值电压、输入电容会对导通器件的延迟时间产生影响，阈值电压低，输入电容小的模块导通延迟时间较小，会率先开通，并分得较多的开通电流。

②功率回路寄生电感

前面我们聊过功率回路的寄生电感，主要由集电极寄生电感Lc和发射极寄生电感LeE两大部分组成。IGBT模块在正常应用中，功率回路进行着快速的换流动作，开关速度极快。但是由于寄生电感的存在，导致换流速度放缓。在并联应用中，由于母线布局的因素，造成功率回路不对称，导致线路的寄生电感值也不能对称分布，便会造成动态均流的问题。

③驱动回路特性差异

在驱动回路中，由于驱动电阻的差异和驱动信号传输延迟的不一致，会使得驱动信号延时很难把握，即使得并联IGBT模块的开关时刻不同步。

前面我们聊到过栅极驱动电阻的重要性，它会影响IGBT开通和关断时间的长短，并且会影响集电极电流上升和下降的速率。栅极电阻小的支路会提前开通，并承受较大的电流，所以说栅极电阻的差异也会影响并联IGBT的均流。

驱动信号延时包括信号发生、信号传输等信号通路上的延时差异，导致IGBT开关时刻不能同步，从而影响均流。

3并联均流设计

上述针对并联IGBT的动静态均流影响因素进行了分析，可见IGBT并联使用时的均流设计是个系统化的工程。下面我们针对这些聊聊几个优化设计。

①器件选型

首先，从减小器件自身的参数差异角度出发，必须选取同一厂商、同一型号、同一批次的IGBT模块进行并联。其次，选择正温度系数的IGBT进行并联，这一特性很多厂家都会在Datasheet的开头就会标注，大家可以留意一下。

②驱动回路的对称性

在对功率模块并联均流效果产生影响的因素中，驱动电路参数特性的影响不容忽视。不同并联模块的驱动电路在结构和电特性上应该保持完全一致。故，在驱动电路方面，驱动回路寄生电感和输出阻抗、器件的延时都需要保持一致，输出电压需要保持相等；在驱动信号方面，模块的连接应该尽量采用双绞线的形式，这样可以减少空间磁场耦合带来的干扰，并且引线最好尽可能地短。

③功率回路阻抗和寄生参数的对称性

IGBT功率模块并联使用时，优良地母排设计可以体现功率回路阻抗和寄生参数的一致性。对于母排结构的设计我们需要考虑下面两个方面：一是尽可能地去降低回路地寄生电感；另外就是保证并联功率模块地回路对称性。

❖母排的选型

常见的母排分两种，一种是铜条组成的传统母排，一种是叠层母排，又称复合母排、夹层汇流排、低感母排，英文叫Laminated Busbar，是多层复合结构连接排。下面给到两种母排的对比：

很明显，叠层母排的众多优点使其成为首选。

❖对称性设计

为了达到更好的并联均流效果，在母排结构设计中应尽量追求并联支路间的对称。完全对称的叠层母排结构设计可以确保并联功率模块回路的对称性。

④降额法

由于模块静态和动态不可能完全达到理想的均衡状态，所以总电流相对于额定负载电流必须有一个合适的降额范围，一般我们使用10%的降额幅度。

⑤主动门极控制法

主动门极控制法是通过调整栅极驱动信号的延迟时间来实现并联IGBT模块的均流。最重要的环节是补偿时间的提取，取得了这个参数就可以在下个周期开关时刻对应驱动信号进行调整，保证并联模块开通的一致性，从而改善其动态均流。门极延迟控制方法存在两个难点，一个是延迟时间Δtd的提取，另一个就是时间补偿电路的硬件电路搭建。

关于IGBT并联方案的那些事儿就聊到这里，开头说是风电的应用，其实只要涉及到大功率IGBT模块并联都需要考虑到上述聊的这些。