关键词：母排设计；IGBT并联；发射极环流
Abstract: This paper mainly introduces the imbalance and oscillation of the output current in parallel IGBT of medium-voltage high-power inverter power unit in practical engineering applications. Two kinds of IGBT parallel modes and two actuator parallel modes are introduced, and the different requirements of each parallel mode in practical application are analyzed from the two aspects of busbar symmetry and driving signal synchronization. The cause of emitter circulation and its influence on driving voltage are introduced. Taking 1700VIGBT as an example, this paper analyzes the influence of busbar design and driving signal synchronization on IGBT output current, and optimizes the structure according to the different needs in practical application.
Key words: Bus bar design; IGBT parallel; Emitter circulation
【中图分类号】TM351 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）08-0000-00
1 引言
20世纪80年代以来，随着工业自动化程度的不断提高以及节能经济政策的推动，变频器得到了非常广泛的应用，尤其中压变频器市场得到迅猛发展。中压变频器朝着大功率和高功率密度方向发展，这就对高压变频器的系统可靠性和结构设计提出了更高的要求。由于大功率IGBT模块成本高，同时会增加电源和驱动电路成本，因此多采用IGBT并联方式来提高功率单元额定电流，从而满足大功率输出的要求以降低成本。层叠母排具有可靠性好、易于设计、便于装配、低电感、节省空间等特点，被作为大功率单元的连接部件广泛应用。


本文主要研究并联IGBT输出电流的不均衡和振荡，先讲述两种IGBT并联方式，再对IGBT并联时存在的风险进行分析，最终根据实际应用中IGBT输出电流波形图找出引起IGBT输出电流不均衡和振荡的原因，并根据具体母排结构及IGBT和驱动并联形式，提出改进方案使IGBT的使用效率提升。


2 IGBT并联方式
根据并联IGBT模块交流输出端子到汇流点之间的电感量可以分为“桥臂并联”和“直接并联”，“直接并联”指的是并联IGBT的两个交流输出点直接连在一起如图1所示；“桥臂并联”指的是并联IGBT交流输出通过均流电抗L1和L2连接在一起如图2所示。



IGBT驱动的并联可以分为“一拖多”（即一个驱动器驱动两个或多个IGBT）和“一拖一”（即一个驱动器驱动一个IGBT）两种形式与IGBT两种并联方式组合可以产生3种可使用组合方式，即IGBT“直接并联”驱动采用“一拖多”形式、IGBT“桥臂并联”驱动采用“一拖一”形式和IGBT“直接并联”驱动采用“一拖一”形式。而IGBT“桥臂并联”驱动采用“一拖多”的形式不可行，因为均流电抗L1和L2电感较大会加剧发射极环流阻碍IGBT的开关。


3 IGBT并联输出电流风险分析


IGBT并联输出电流直接风险为输出电流不均衡和输出电流振荡，导致风险的主要问题有两个：母排杂散电感不对称和IGBT开关不同步。可再细分为四种情况，母排杂散电感不对称分为直流母线杂散电感不对称和交流输出杂散电感不对称，IGBT开关不同步分为IGBT驱动信号不同步和IGBT门槛电压ᐃVge有差异。而其中IGBT交流输出到汇流点连接较为简单，杂散电感对称性较容易满足，随着IGBT制造技术的提高同一批次IGBT之间的差异也可以忽略，在此我们主要讨论两个IGBT并联情况下直流母线杂散电感不对称和IGBT驱动信号不同步对IGBT输出电流的影响，从而对母排进行合理设计保证IGBT输出电流的稳定。下面仅以D2和D4续流时T1和T3开通瞬间为例进行分析，其余情况分析过程类似，不在此赘述。


IGBT“直接并联”驱动“一拖一”和“一拖二”如图3和图4所示，根据直流母线的杂散电感不对称对IGBT输出电流产生的影响，把直流母线电感不对称分为两种，一种为并联IGBT的两个正母线和两个负母线之间杂散电感不相等即Ldc1≠Ldc3和Ldc2≠Ldc4，另一种为正母线和负母线的杂散电感不相等，即Ldc1≠Ldc2和Ldc3≠Ldc4，这两种情况主要取决于实际应用时IGBT的布置方式，可能单独存在也可能同时存在。


第一种情况：Ldc1≠Ldc3和Ldc2≠Ldc4时，假设Ldc2<Ldc4，一般情况下交流输出到汇流点回路较短杂散电感Ldcx远大于Lsx，因此Ldc2+Ls1+Ls2<Ldc4，D2和D4处于续流状态红色箭头所示，当T1和T3开通时D2和D4经过T3的反向恢复电流如图绿色箭头所示，D2的一部分恢复电流会通过Ls1和Ls2，恢复电流的变化率很大会造成E1和E3电势不等，根据二级管的反向恢复特性，在渡过存储阶段后在过渡阶段中电流又会逐渐减小，此时E3和E1的电势反向，且由于Ldc1+Ls1≠Ldc3+Ls2回路杂散电感的不一致导致最终T1和T3输出电流大小不等；第二种情况：Ldc1≠Ldc2和Ldc3≠Ldc4时，此时上下桥臂杂散电感不一致主要影响换流过程，而换流时回路电感L远大于杂散电感，因此不会对IGBT输出电流有明显影响。


E1和E3之间电势的突变相当于一个激励源，使系统的杂散电感和杂散电容进行能量互换，最终导致输出电流的振荡，且桥臂间电流的互换会导致其中一个IGBT峰值电流过大而另一个较小，另外对于驱动“一拖二”的情况当E1和E3电势不等时会有电流流过Re1和Re3产生发射极环流，如图4黄色箭头所示，由于驱动器驱动电压Vge的发射极参考电位为E2，随着E1和E3间电压的振荡，当E3大于E1时有E3>E2>E1，此时实际门极电压Vge1=Vge+Vre1，Vge3=Vge-Vre3，Vre1会阻碍T1的关断，Vre3电压会阻碍T3开通，当E3和E1电势反向后Vre1会阻碍T1的开通，Vre3会阻碍T3的关断，因此Vre1和Vre3不能过大，即交流输出杂散电感Ls1和Ls2不能过大，这也解释了为什么“桥臂并联”时不能使用“一拖多”的驱动并联形式。


IGBT“直接并联”时如果驱动信号不同步，此时E1与E3的电势变化和上文中杂散电感不对称导致的结果类似，如图3和图4假设某一时刻T3的开通速度大于T1，则当续流二极管D2和D4关断时反向恢复电流如图绿色箭头所示D2的恢复电流会通过Ls2和Ls1，不同的是引起输出电流不均衡的时间较短仅在IGBT开关瞬间会有较大振荡。


IGBT在“桥臂并联”的情况下根据上面分析驱动只能采用“一拖一”的形式，由于有均流电抗的存在，只要均流电抗L1和L2足够大就能阻止并联两个桥臂之间交换电流，但是实际应用中考虑到均流电抗的成本和发热不可能选的太大，电感大约在几μH到几百μH之间，相对于IGBT“直接并联”对母排杂散电感对称性和IGBT开关同步性都要求更低，是一种风险较低的并联方式。


“直接并联”的优点是能够采用“一拖多”驱动并联形式，不需要均流电抗，结构紧凑成本低，由于一个驱动器驱动两个IGBT因此驱动信号同步性好，缺点是对直流母排对称性要求很高，较容易产生发射极环流从而影响IGBT的开关特性。“桥臂并联“的优点是对直流母排对称性和驱动信号同步性的要求降低了，不会产生发射极环流，驱动电压Vge不会受到驱动信号以外的干扰，没有动态均流风险每个桥臂电流相对独立，缺点需要均流电抗成本高。IGBT“直接并联”驱动“一拖一”的情况介于IGBT“桥臂并联”和“直接并联”驱动“一拖多”之间，优点是不需要均流电抗，驱动电压Vge不会受到驱动信号以外的干扰，缺点是对直流母排对称性和IGBT驱动信号同步性都要求较高，本文在第三节以这种形式为基础举一个实际生产中的反例，来具体说明直流母排不对称和IGBT驱动信号不同步对输出电流造成的影响。


4 母排设计


如图5所示，为了使整体布局结构紧凑采用IGBT“直接并联”，直流母线和交流母线全部在单元左边，右边为水冷散热器的水管，把高压回路和冷却水管分开便于设计和装配，然而这种情况会使直流侧回路杂散电感不对称，由图中正负母排的回路长度可知上半桥臂Ldc1<Ldc3<Ldc4<Ldc2，由前两节分析可知IGBT驱动信号不同步和直流侧杂散电感的不对称都会导致E1和E3的电势不相等，从而导致输出电流的振荡。优化后设计如图6所示。


图7驱动器采用“一拖一”方式，IGBT的Vge电压及交流输出电流分别为红、蓝和绿，图8驱动器采用“一拖二”布置，IGBT的Vge电压及交流输出电流分别为黄、红和蓝，如图所示当IGBT开关瞬间输出电流振幅最大，这是因为开关瞬间E1和E3之间出现电势差，杂散电容和杂散电感的振荡回路受到激励。在第二个脉冲的上升沿也就是IGBT的开通瞬间，图7一个IGBT的输出电流产生了明显减小和反向过零造成另一个IGBT的峰值电流较大，而图8的电流减小则较弱，说明图7的IGBT驱动信号不同步较为明显。由于“一拖二”情况下驱动信号同步性会更好，同时在第二个脉冲到来时图8的输出电流波动较小，从图8的驱动信号可以看出，直流侧杂散电感的不对称没有对驱动电压Vge产生明显影响，因此对于“一拖二”的形式需要更改母排设计如图6所示，以减小IGBT输出电流的不均衡和振荡。对于“一拖一”的形式，则要同时考虑驱动信号的不同步引起的IGBT峰值电流过大和直流侧杂散电感不对称引起的IGBT输出电流不均流和振荡，因此可以在结构不变的情况下加均流电抗采用“桥臂并联”方式，此时母排结构对称可以在一定程度上减小所需均流电抗的电感值。

直流侧使用层叠母排最大的优点是自身电感低，在很大程度上避免了IGBT由于浪涌电压而引起的击穿，设计时还应该尽量使直流正和直流负母排结构对称使输出电流均衡且减小振荡；而交流测由于杂散电感在一定程度上可以抑制桥臂间电流的交换，较小时也不会引起明显的发射极环流而对驱动电压产生影响，因此交流侧可以使用单母排，从IGBT出线到汇流点之间可以使用折弯等方式以便于结构设计而对输出电流不会有明显影响，虽然两个IGBT输出点到交流汇流点之间回路较短杂散电感小但也应尽量对称。


5 总结


本文以并联IGBT的输出电流为研究对象，主要论述了直流母排杂散电感不对称和IGBT开关不同步对IGBT输出电流的影响，通过“一拖一”和“一拖二”的对比实验来说明直流母线杂散电感不对称和IGBT开关不同步在输出电流波形上的具体表现，找出问题的关键点从而对母排或单元结构进行改进。IGBT“桥臂并联”风险低，但是需要均流电抗，所需均流电抗的大小取决于母线杂散电感不对称程度和IGBT开关的不同步程度；IGBT“直接并联”驱动“一拖一”形式是IGBT“桥臂并联”的特殊情况，即母排足够对称且IGBT开关足够同步，均流电抗可以减小到和杂散电感一个数量级，此时不需要均流电抗；驱动“一拖二”形式问题主要是杂散电感不对称和驱动电压会受到发射极环流的干扰。可见所有情况下母线杂散电感不对称都会对IGBT输出电流有不利影响，设计时应尽量使母排结构对称来消除这一干扰因素，如果实际应用中母排结构对称性无法满足，则可考虑采用“桥臂并联”或IGBT降额使用，从而使IGBT输出电流满足使用要求。
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