芯片并聯(lián)的分析

分布的影響。通過(guò)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法，可以定義更切合實(shí)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(jì)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(diǎn)是它沒(méi)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(duì)并聯(lián)模塊電流分布的影響，可以對(duì)最壞情況進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法，可以定義更切合實(shí)際的降額系數(shù)。

為了擴(kuò)大單一組件的電流能力以滿(mǎn)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(gè)基礎(chǔ)概念。這一概念由IGBT或MOSFET芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這些芯片中，單MOS柵單元并聯(lián)在一起，形成一個(gè)現(xiàn)代的大功率芯片。在功率模塊中也經(jīng)常見(jiàn)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(gè)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?yàn)樗驂航档臏囟认禂?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(duì)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(mǎn)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(gè)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(gè)比例因子，用于使正向壓降達(dá)到最小、典型或最大值。一個(gè)簡(jiǎn)化的線(xiàn)性特征被選為電流/電壓特性（見(jiàn)圖1）。在并聯(lián)狀態(tài)下，當(dāng)一個(gè)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(gè)或多個(gè)模塊的正向壓降達(dá)到規(guī)格所指定的最大值（USL）時(shí)，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(jiǎn)化特性
（圖中的“點(diǎn)”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(duì)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(jì)算出來(lái)的。為了這樣做，為流經(jīng)每個(gè)芯片的電流和低壓降及高壓降支路的溫度設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(jì)算出來(lái)。該值可以用來(lái)計(jì)算損耗；以此為基礎(chǔ)，可以從熱模型計(jì)算出正確的芯片溫度。接下來(lái)就是要通過(guò)調(diào)整流經(jīng)每條支路的電路，盡量減少假設(shè)溫度和計(jì)算溫度之間的差異。注：作為一個(gè)約束，各支路之間壓降的差值必須為零。

為了LSL和USL支路，計(jì)算每個(gè)芯片的電流和結(jié)溫。二極管的額定電流：50A。對(duì)于只有一個(gè)模塊的情況（n=1），選擇位于規(guī)格上限的模塊，因?yàn)檫@是單模塊的最壞情況（圖2）。

圖2 多達(dá)20個(gè)IGBT模塊并聯(lián)時(shí)，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?yàn)椴粫?huì)發(fā)生電流失衡。對(duì)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(shí)，情況進(jìn)一步惡化。當(dāng)20個(gè)模塊并聯(lián)時(shí)，最壞的情況時(shí)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(xiǎn)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(gè)模塊并聯(lián)時(shí)，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(duì)二極管來(lái)說(shuō)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(shí)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(gè)續(xù)流二極管的并聯(lián)運(yùn)行被認(rèn)為是至關(guān)重要的。