电源模块参数对并联开关特性影响的方法

IGBT模块并联的挑战是在考虑不同模块参数的情况下了解功率转换器的必要降额。这种理解对于在热和安全操作限制内正确并行运行模块非常重要。本文介绍了如何分析模块参数对功率模块并联运行的均流和开关能量不平衡的影响的方法。

模块工作期间的电流不平衡可能是由并联功率模块的特性（例如正向电压不同）和电源转换器本身的设计引起的。电源模块的接口，如直流侧和交流侧的电源连接、栅极驱动器的设计、栅极驱动器与电源模块的连接等，对并联模块的静态和动态电流不平衡都有影响。

影响并联电源模块性能的各种因素的概述如图1所示。

在下图中，重点是分析IGBT和二极管特性与并联电源模块中的电流不平衡有关。对于以下分析，考虑了均匀的冷却条件。

图1.影响并联电源模块性能的因素。

评估设置和测试示例

每个轨道车辆制造商都有自己独特的转换器设计，因此如果没有标准化的测试设置，半导体制造商很难进行具有代表性的功率模块分析。地平线2020项目“Shift2Rail”［2］中讨论了这一困难。项目成员同意在半导体供应商和功率转换器制造商之间定义一个标准化接口，以讨论功率模块的降额问题。参考设置如图2所示。参考设置的目标之一是尽可能减少外部组件对并联电源模块电流不平衡的影响。在直流侧，每个电源模块都有一个单独的直流母线电容器;交流电源连接通过宽母线进行，模块下方有一个中央负载连接。仅将一个中央栅极驱动器与低电感接口板结合使用，以控制并联模块。

图2.用于并行评估的参考测试设置

选择参考测试设置来研究模块并联。采用LV100封装的CM450DA-66X模块是具有代表性的X系列电源模块，被选为被测器件进行评估和分析。采用硅芯片组和铝基板的 X 系列产品阵容如表 1 所示。这些功率模块采用最新的 X 系列第 7 代尖端芯片组，带有 CSTBT（III） 沟槽 IGBT 和 RFC 二极管。IGBT和二极管芯片在宽电流范围内均具有正向电压温度系数。如果温度不均匀分布在散热器上，则此功能有利于在运行期间并联连接的模块之间进行热平衡。集成在模块中的NTC温度传感器可以监控每个并联模块的外壳温度。此外，X系列的双功率模块使用带有集成AlN陶瓷绝缘的新型创新铝基板，即所谓的MCB（金属铸造直接粘合）基板。与传统结构相比，新的基板结构具有明显更小的结壳热阻，这允许输出功率增加或降低工作结温。此外，三菱电机的 X 系列功率模块还为要求苛刻的铁路应用提供了功能，例如外壳材料的高 CTI 值、局部放电测量、高质量控制和可追溯性。

表 1.LV/HV100 X 系列产品阵容。图片由 Bodo 的动力系统提供 ［PDF］

功率模块参数与并联开关波形的相关性

为了研究不同IGBT功率模块参数对均流的影响，测量了十对不同功率模块的并联。然后，执行线性回归分析，以关联开关波形的特性和电源模块参数。

被测器件是采用 LV100 封装的 3.3 kV/450 A （CM450DA-66X） 电源模块。这些器件在其电气参数中显示出自然分布。因此，集电极-发射极饱和电压范围为2.61 V至2.81 V，栅极-发射极阈值电压范围为6.56 V至7.70 V，二极管正向电压范围为2.20 V至2.45 V。分析了这十对在导通、关断和反向恢复期间的开关特性。

关断开关分析

图3显示了两个示例性关断测量结果。当IGBT器件参数相似时，可以实现良好的均流。相反，在功率模块参数不同的情况下，负载电流在功率模块之间分配不均。

通过对10对的线性回归分析，确定了IGBT功率模块参数与开关特性之间的相关性。研究发现，稳态电流ΔI的差异C仅与集电极-发射极电压的差异相关。其他功率模块参数微不足道（决定系数《95%）。线性回归分析导致当前不平衡的以下关系。详情请参考［3］。

［frac{Delta I_{C}}{IC_{avg}}approx-0.56V^{-1}cdotDelta V_{CEsat}］ （1）

导通开关分析

图4显示了两个电源模块并联时的导通开关波形。如果功率模块参数相似，则两个功率模块之间将平均分配电流。但是，当功率模块不同时，预计功率模块之间的均流不等。

研究发现，均流与栅极-发射极阈值电压差ΔV相关基（千）以及互补续流二极管 ΔV 的正向电压差电子商务。线性回归分析导致当前不平衡的以下关系。

（a） 类似的设备参数

（b） 不同的设备参数

图3.示例关断波形（绿色：V通用 电气10V/格，蓝色：IC1150A/格，黄色：IC2150A/格，红色：V行政长官500V/格，2.0微秒/格）。图片由 Bodo 的动力系统提供 ［PDF］

（a） 类似的设备参数

（b） 不同的设备参数

图4.示例导通波形（绿色：V通用 电气10V/格，蓝色：IC1300A/格，黄色：IC2300A/格，红色：V行政长官500V/格，2.0微秒/格）。图片由 Bodo 的动力系统提供 ［PDF］

（a） 类似的设备参数

（b） 不同的设备参数

图5.示例反向恢复波形（蓝色：IC1300A/格，黄色：IC2300A/格，红色：V行政长官500V/格，2.0微秒/格）。

［frac{Delta I_{C}}{IC_{avg}}approx-0.18V^{-1}cdotDelta V_{EC}-0.18V^{-1}cdotDelta V_{GE（th）}］ （2）

二极管反向恢复开关

二极管反向恢复的示例性开关结果如图5所示。同样，如果电源模块参数相似，则两个功率模块之间的电流平均分配。如果电源模块参数不同，则静态电流和峰值反向恢复电流的差异变得明显。

线性回归分析表明，静态均流仅与二极管正向电压ΔVEC的差异相关。发现其他电源模块参数无关紧要。找到当前不平衡的以下关系。

［frac{Delta I_{E}}{IE_{avg}}approx-0.78V^{-1}cdotDelta_{EC}］ （3）

降额计算高达并联六倍

根据电流和能量的降额系数，可以定义两个以上模块并联时所需的降额。为此，假设其中一个并联模块具有最小特性（导致最大开关能量或电流），而所有其他模块具有最大特性（导致最小开关能量或电流）。通过使用以下公式，可以计算出两个以上并联模块的集电极电流的降额比。

参数 n 是并联模块的数量。参数 x 是通过测量两个并联模块（例如 （∆IC/ICavg 根据 （1） 和 （2） 或 （∆IE/IEavg 根据 （3）））确定的不平衡比。因此，可以定义对分组参数的降额依赖关系，如图 6 所示。该图已经表明，由回归分析确定的置信区间对于多个功率模块的降额比也非常有用。

［frac{I_{C，max}}{I_{C，avg}} - 1 = frac{I_{C，max}}{left（ （eta -1） I_{C，min} + I_{C，max}right）/eta} - 1 frac{eta cdot I_{C，max}}{left（ （eta -1）left（ frac{1-x}{1+x} right） I_{C，max} + I_{C，max}right）} - 1frac{eta}{left（ （eta -1）left（ frac{1-x}{1+x} right） + 1 right）} - 1］

图6. 集电极电流降额比与正向电压差的关系。

图7.6次并联的开关波形（条件：V抄送= 1800V， Ic= 2700A（每个器件 450A），Tj= 150°C， V通用 电气= +15V / -9V， RG（开）= 2.7Ω， RG（关闭）= 62Ω， C通用 电气= 33nF）。

结论

本文介绍了一种研究电源模块参数对并联开关特性影响的方法。对于每种开关类型，IGBT关断，导通和二极管反向恢复，研究了不同器件参数的影响。仅考虑重要参数，提供模型来计算任意器件参数上开关特性的差异。显示了如何将结果传输到具有两个以上设备的并行连接。最后，确认并联连接中的六个器件之间的均质均流。开关波形证明，通过精心设计的转换器布局和配对良好的LV100模块，可以实现理想的均流。
审核编辑：陈陈