芯耀
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大功率系統(tǒng)需要并聯(lián) IGBT來處理高達(dá)數(shù)十千瓦甚至數(shù)百千瓦的負(fù)載，并聯(lián)器件可以是分立封裝器件，也可以是組裝在模塊中的裸芯片。這樣做可以獲得更高的額定電流、改善散熱，有時(shí)也是為了系統(tǒng)冗余。部件之間的工藝變化以及布局變化，會(huì)影響并聯(lián)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配。
本白皮書將探討IGBT并聯(lián)的技術(shù)要點(diǎn)，第一篇“IGBT的并聯(lián)知識(shí)點(diǎn)梳理：靜態(tài)變化、動(dòng)態(tài)變化、熱系數(shù)”，我們介紹了靜態(tài)變化、動(dòng)態(tài)變化、熱系數(shù)。本文將繼續(xù)介紹柵極電阻、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
柵極電阻
關(guān)于柵極驅(qū)動(dòng)和返回路徑的阻抗匹配問題，已有很多論述。眾所周知，阻抗匹配越好，IGBT 的功率和電流均衡就越好。
關(guān)于這個(gè)問題的大多數(shù)討論，都建議必須使用單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)電阻。為每個(gè) IGBT 提供一個(gè)柵極電阻可降低并聯(lián)器件之間發(fā)生振蕩的可能性，但同時(shí)也會(huì)增加器件的開通和關(guān)斷時(shí)間及特性曲線的差異性。
如果使用一個(gè)共用柵極電阻，在不引起振蕩的情況下，電流波形將更加匹配，因?yàn)閮蓚€(gè)柵極同時(shí)處于相同的電位。
圖 1 和圖 2 顯示了兩個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的 IGBT，分別使用了單獨(dú)和共用的柵極電阻。
圖 1. 獨(dú)立柵極電阻的關(guān)斷波形
圖 2. 共用柵極電阻的關(guān)斷波形
我們特意挑選了特性不同的 IGBT 進(jìn)行測(cè)試，以便在使用不匹配的器件時(shí)可以看出它們之間的差異。有關(guān)所使用的 IGBT 測(cè)試的更多信息，請(qǐng)參見下面的?"經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)?"部分。
上面標(biāo)有 IGBT 編號(hào)的波形是集電極電流，下面的曲線是集電極電壓。
在此測(cè)試中，使用兩個(gè) 22 Ω?電阻進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并帶有單獨(dú)的柵極電阻；使用一個(gè) 11 Ω?電阻進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并帶有共用柵極電阻。IGBT為 40 A、600 V、NGTB40N60IHL 器件。
從示波器截圖中可以看出，盡管共用柵極電阻不會(huì)對(duì)電流均衡產(chǎn)生影響，但它確實(shí)大大改善了開關(guān)波形的匹配。
如果器件之間出現(xiàn)振蕩，則有必要為每個(gè) IGBT 使用單獨(dú)的電阻；即使在這種情況下，也可以使用一個(gè)共用電阻與單獨(dú)的電阻串聯(lián)。
圖 3. 共用柵極電阻和單獨(dú)柵極電阻結(jié)合使用
圖 3 所示電路采用了共用和單獨(dú)柵極電阻的組合。一旦構(gòu)建完成，可以很容易地在兩個(gè)極端之間調(diào)整電阻值，以盡可能地匹配開關(guān)特性，同時(shí)消除兩個(gè) IGBT 之間的振蕩。
經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
對(duì)一組 NGTB40N60IHL IGBT 進(jìn)行序列化，并測(cè)試了導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。然后根據(jù)導(dǎo)通損耗和總開關(guān)損耗繪制了這些數(shù)據(jù)。選擇兩組器件。1 號(hào)和 26 號(hào)單元用于測(cè)試不同的器件，2 號(hào)和 27 號(hào)單元用于測(cè)試相似的器件。
圖 4. NGTB40N60IHL IGBT 樣品的散點(diǎn)圖
以下三個(gè)示波器軌跡顯示了兩個(gè)最佳匹配器件（2 號(hào)、26 號(hào)）的集電極-發(fā)射極電壓和集電極電流
圖 5. 匹配器件的開通波形
盡管兩個(gè)器件非常匹配，但開啟時(shí)的電流還是存在差異。不過，這種不平衡不會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，由于VCE(sat)參數(shù)的匹配，穩(wěn)態(tài)電流基本相等。
圖 6. 匹配器件的關(guān)斷波形
圖 7. 匹配器件的脈沖波形
從上述波形可以看出，盡管兩個(gè)器件的導(dǎo)通曲線并不相同，但電流趨于一致，關(guān)斷波形也完全相同。使用單個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電阻重現(xiàn)圖 7，波形沒有變化。
還應(yīng)注意的是，我們是根據(jù)總開關(guān)損耗對(duì)IGBT進(jìn)行匹配的，因此單個(gè)開通和關(guān)斷損耗可能并不完全匹配。
圖 8. 不匹配器件的開通波形
圖 9. 不匹配器件的關(guān)斷波形
圖 10. 不匹配器件的脈沖波形
對(duì)于不匹配的 IGBT，開通和關(guān)斷的路徑相似，但導(dǎo)通電流在整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)存在顯著差異。
雖然最好能有完美適配的器件，但也可以容忍一定程度的參數(shù)差異。熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮到這些差異。VCE(sat)參數(shù)對(duì)兩個(gè)（或多個(gè)）器件之間的功率損耗差異影響最大。
上述所有波形均使用 11 Ω 的公共柵極電阻。
測(cè)試電路板
圖 11. 用于并聯(lián)測(cè)試的測(cè)試板和散熱器
此設(shè)置用于測(cè)試IGBT并生成本應(yīng)用說明中的波形。盡量匹配兩個(gè)IGBT之間的阻抗。雖然有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，但實(shí)際測(cè)試中只使用了一個(gè)，因此驅(qū)動(dòng)器不會(huì)造成時(shí)序差異。
圖 12. 測(cè)試電路圖
并聯(lián)器件檢查清單
盡可能匹配電氣阻抗。
盡可能匹配熱阻抗。
保持較高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。
使用公共柵極電阻器，除非發(fā)生振蕩。
結(jié)語
本應(yīng)用說明討論了與并聯(lián) IGBT 相關(guān)的幾個(gè)問題。選擇較高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓和正確的柵極電阻配置，對(duì)于電流均衡與匹配的熱布局和電氣布局同樣重要，參考本文探討的信息將有助于確保設(shè)計(jì)的可靠性。
