芯片并聯(lián)的分析

分布的影響。通過應(yīng)用統(tǒng)計方法，可以定義更切合實際的降額因子。 敘詞：芯片并聯(lián) IGBT模塊 續(xù)流二極管 降額因子 Abstract：The article, after investigation and analysis, introduces the influence of chip parallel towards the parameters of IGBT module, and lays emphasis on the influence of FWD (fly-wheel diode) forward voltage drop toward parallel module current. By applying statistics means, more practical derating factor can be defined. Keyword：Chip parallel, IGBT Module, FWD, Derating factor
1、前言

為了估計并聯(lián)IGBT模塊變化參數(shù)所導(dǎo)致的失衡，通常根據(jù)元件參數(shù)的上下限的組合進(jìn)行最壞情況分析。這種方法的缺點是它沒有考慮到這種最壞情況組合的發(fā)生概率。研究續(xù)流二極管正向壓降對并聯(lián)模塊電流分布的影響，可以對最壞情況進(jìn)行評估。通過應(yīng)用統(tǒng)計方法，可以定義更切合實際的降額系數(shù)。

為了擴(kuò)大單一組件的電流能力以滿足給定應(yīng)用的需求而進(jìn)行的元件并聯(lián)運(yùn)行是電力電子領(lǐng)域中的一個基礎(chǔ)概念。這一概念由IGBT或MOSFET芯片來實現(xiàn)，在這些芯片中，單MOS柵單元并聯(lián)在一起，形成一個現(xiàn)代的大功率芯片。在功率模塊中也經(jīng)常見到這種連接方式，芯片被并行連接以達(dá)到所需的電流能力。

總部位于紐倫堡的電力電子系統(tǒng)制造商賽米控所生產(chǎn)的常規(guī)IGBT功率模塊（SKM100 GB123D）的并聯(lián)使用情況被選為本次調(diào)查的載體。在這樣的一個并聯(lián)配置的半橋模塊中，IGBT和相應(yīng)的續(xù)流二極管都并聯(lián)運(yùn)行。由于IGBT在額定電流下有正溫度系數(shù)，因此它們普遍被認(rèn)為非常適合并聯(lián)。與此相反，二極管則更為重要的，因為它正向壓降的溫度系數(shù)在額定電流下通常是稍稍為負(fù)。因此，以下的分析只考慮由續(xù)流二極管通態(tài)壓降變化所導(dǎo)致的電流不平衡。所用IGBT的分析也可由參考文獻(xiàn)[1]獲得。

2、并聯(lián)二極管作最壞情況分析

首先，對并聯(lián)二極管作最壞情況分析。因此，我們假設(shè)已知參數(shù)的元件并聯(lián)在一起，參數(shù)的值都滿足在規(guī)格范圍之內(nèi)――在我們的例子中，是指那些有最大或最小正向壓降的模塊。為了分析由此產(chǎn)生的影響，模塊所指定通態(tài)值指定都必須轉(zhuǎn)化為一個分析表格。表格中，正向壓降被描述成溫度和電流的函數(shù)，此外還有一個比例因子，用于使正向壓降達(dá)到最小、典型或最大值。一個簡化的線性特征被選為電流/電壓特性（見圖1）。在并聯(lián)狀態(tài)下，當(dāng)一個模塊的正向壓降達(dá)到規(guī)格所指定的最小值（LSL），而與其相連的其他一個或多個模塊的正向壓降達(dá)到規(guī)格所指定的最大值（USL）時，最壞的情況發(fā)生。

圖1 賽米控IGBT模塊（SKM100GB123D）中續(xù)流二極管正向電壓的簡化特性
（圖中的“點”代表數(shù)據(jù)表值）

假設(shè)模塊之間不存在熱耦合，并且二極管的結(jié)殼熱阻在散熱器的溫度保持在85°C的條件下，等于規(guī)格所指定的最大值0.50K/W，正向壓降的差異對由此差異所導(dǎo)致芯片溫度和電流不平衡的影響是可以計算出來的。為了這樣做，為流經(jīng)每個芯片的電流和低壓降及高壓降支路的溫度設(shè)置啟動參數(shù)（以下簡稱具有相同特征的模塊為“支路”）。然后，正向壓降作為溫度和電流的函數(shù)被計算出來。該值可以用來計算損耗；以此為基礎(chǔ)，可以從熱模型計算出正確的芯片溫度。接下來就是要通過調(diào)整流經(jīng)每條支路的電路，盡量減少假設(shè)溫度和計算溫度之間的差異。注：作為一個約束，各支路之間壓降的差值必須為零。

為了LSL和USL支路，計算每個芯片的電流和結(jié)溫。二極管的額定電流：50A。對于只有一個模塊的情況（n=1），選擇位于規(guī)格上限的模塊，因為這是單模塊的最壞情況（圖2）。

圖2 多達(dá)20個IGBT模塊并聯(lián)時，二極管的最壞情況：電流和溫度的失衡

單模塊的芯片電流為50A，因為不會發(fā)生電流失衡。對于2單元并聯(lián)，LSL支路的電流為75A，比單模塊高50%。當(dāng)并聯(lián)的模塊數(shù)量增加時，情況進(jìn)一步惡化。當(dāng)20個模塊并聯(lián)時，最壞的情況時電流幾乎達(dá)到額定電流的2.25倍。

在達(dá)到規(guī)格上限的單模塊中，二極管的結(jié)溫度達(dá)132℃。在所描述的最壞情況下，由此所產(chǎn)生的電流分布失衡在兩支路中產(chǎn)生危險的結(jié)溫分布。兩模塊并聯(lián)情況下，結(jié)溫為145℃，而當(dāng)20個模塊并聯(lián)時，LSL支路的結(jié)溫升高到190°C。而由于二極管是負(fù)溫度系數(shù)，相當(dāng)于IGBT，這種作用對二極管來說更加的嚴(yán)重。IGBT正向壓降的正溫度系數(shù)，減少了并聯(lián)運(yùn)行時的不平衡，而二極管的負(fù)溫度系數(shù)則增強(qiáng)了這種不平衡的情況。因此，多個續(xù)流二極管的并聯(lián)運(yùn)行被認(rèn)為是至關(guān)重要的。