中大功率IGBT驱动及串并联特性应用研究
IGBT基础和应用要求
分类情况
IGBT产品已从第一代的PT型发展到目前第四代的SPT 型(PT→NPT → Trench → SPT/CSTBT)，但各厂家不同代之 间的技术定义不尽相同；从开关速度分有低速(≤8KHz)、中 速(8－40KHz)和高速(40KHz以上)；封装方式主要有单管朔 封和模块封装，两者都各有不同系列，特别是模块封装有单 管、多管、PIM和IPM；从栅极技术特点分平面栅极和立体 (Trench)栅极；从基区电场行为的技术特点分有穿通型(PT) 、非穿通型(NPT)和软穿通型(SPT) 。
发展趋势
功率电路的发展要求仍然是高频化、高输出功率、高 效和低噪声，由此而对器件提出的综合要求除了具有低损 耗、高开关速度、高反向耐压、高dV/dt耐量、安全工作区 宽等特点外，在低噪声（芯片技术与封装技术结合）和抗 干扰方面有更进一步要求。 IGBT技术在过去的十几年内经历了快速发展阶段。目 前芯片技术的主要特点是四种技术共存的局面，其中SPT技 术正逐步取代NPT技术成为主流技术。已能批量提供SPT技 术芯片的厂家是ABB、INFINEON和MITSUBISHI。未来3年内 Si材料IGBT芯片的综合性能将有进一步完善（UPS选型），
基本特性介绍
二、导通特性 由于结构上的特点，IGBT的通态压降包含了驱动用 MOSFET的压降和P-N结的结压降之和，它与门极驱动电压有 密切关系，在额定栅极电压范围内，电压降随栅极电压增加 而减小。但应用上栅极电压的增加受短路时的集电极电流要 求限制。 和功率晶体管一样IGBT工作时引入了电导调制效应使导 通压降得到减小，这一点还可以基本消除器件的额定电压对 导通压降的影响。但是随着电导调制程度的增加使IGBT出现 了擎住效应。通态压降的温度系数较小（深入一点可以讨论 以下正温度系数和负温度系数问题）。
IGBT的工作原理和工作特性
IGBT的工作原理和工作特性IGBT的工作原理和工作特性IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。
反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。
IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
IGBT的工作特性包括静态和动态两类：1．静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。
它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。
在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。
如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。
IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。
它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。
在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。
最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。
IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。
尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT总电流的主要部分。
此时，通态电压Uds(on)可用下式表示:Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh （2－14）式中Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～IV；Udr——扩展电阻Rdr上的压降；Roh——沟道电阻。
（整理）IGBT并联技术详解.
（整理）IGBT并联技术详解.IGBT并联技术技术详解IGBT并联均流问题影响静态均流的因素1、并联IGBT的直流母线侧连接点的电阻分量，因此需要尽量对称；2、IGBT芯⽚的Vce(sat)和⼆极管芯⽚的V F的差异，因此尽量采取同⼀批次的产品。
3、IGBT模块所处的温度差异，设计机械结构及风道时需要考虑；4、IGBT模块所处的磁场差异；5、栅极电压Vge的差异。
影响动态均流的因素1、IGBT模块的开通门槛电压VGEth的差异，VGEth越⾼，IGBT开通时刻越晚，不同模块会有差异；2、每个并联的IGBT模块的直流母线杂散电感L的差异；3、门极电压Vge的差异；4、门极回路中的杂散电感量的差异；5、IGBT模块所处温度的差异；6、IGBT模块所处的磁场的差异。
IGBT芯⽚温度对均流的影响IGBT芯⽚的温度对于动态均流性能和静态均流性能影响很⼤：1、由于IGBT的Vcesat的正温度系数特性，使温度⾼的芯⽚的Vcesat更⾼，会分得较少的电流，因此形成了⼀个负反馈，使静态均流趋于收敛；2、根据我们的经验，我们发现，芯⽚温度变⾼后，动态均流的性能也会变好；例如在测试动态均流时，我们会使⽤双脉冲测试⽅法，但这时芯⽚是处于冷态的，当把机器跑起来后，动态均流会改善。
IGBT芯⽚所处的磁场对均流的影响IGBT模块附近如果有强磁场，则模块的均流会受到影响。
1、如果两个IGBT模块并联且并列安装，如果交流排的输出电缆在摆放时靠近其中某⼀个IGBT模块⽽远离另外⼀个，则均流性能就会出问题；2、以上现象的原因是某个⼤电流在导线上流动时会产⽣磁场，对磁场内的其他导通的电流产⽣“挤出”或“吸引”的效应；因此，在结构设计时，需要注意交流排出线的⾛线形式，以免发⽣磁场的⼲涉现象。
IGBT并联使⽤⽅法分类IGBT并联可以分为“硬并联”及“桥臂并联”2⼤类。
（1）“硬并联”指的是IGBT的发射极和集电极直接连接在⼀起，如左下图所⽰；（2）“桥臂并联”指的是，IGBT桥臂的交流输出端通过均流电抗（感量有⼀定数值）连接在⼀起，如右下图所⽰；这两种分类⽅法本质上以模块交流端⼦到汇流端的电感量进⾏分类的。
IGBT并联
1 引言随着市场对兆瓦级大功率变流器的需求与日俱增，igbt并联方案目前已成为一种趋势。
这主要源于igbt并联能够提供更高电流密度、均匀热分布、灵活布局以及较高性价比(这取决于器件及类型)等优势。
图1所示为经常会采用的两种igbt并联方式，即模块之间和臂之间。
通过将小功率igbt模块(包括分立式igbt)、大功率igbt模块进行并联组合，可获得不同额定电流的等效模块，且实现并联的连接方式也很灵活、多样。
以高压变频器中广泛采用的h桥拓扑结构功率单元为例，其并联实现可以用不同电路结构的igbt模块，如半桥“ff”、单个“f z”、四单元“f4”和六单元“fs”。
这将使客户有很大自由度选择性价比高的并联解决方案。
另外，并联可降低模块热集中，使其获得更加均匀的温度梯度分布，较低的平均散热器温度，这有益于提高热循环周次。
因此，igbt并联是大功率设计应用的最佳解决方案之一。
图1 臂或模块并联然而，并联igbt之间静态与动态性能的差异会影响均流，使得有效目标输出电流不得不被降额。
通常，降额系数是根据最差的并联情况进行假定，但这种假设在实际应用中并不合理，且被过高估计，这也会增加客户设计成本。
从统计角度方面，差异性很大的模块并联概率是很小的，且igbt参数之间偏离可以忽略。
从均流角度方面，并联设计好坏对降额起关键性的作用，且远大于igbt自身参数差异性所引起的问题。
因此，并联应重点考虑如何通过设计确保均流，而不是把重心放在模块参数偏离所造成的影响。
附表为说明哪些因素会引起均流的差异。
并联设计将集中在这些因素上面以优化驱动回路、功率换流回路、模块布局以及冷却条件等, 其目的是确保每个并联支路尽可能实现对称。
本文将提供一些并联设计方面的措施和建议，以帮助客户成功完成并联。
2 静态性能2.1 ptc 特性在不同额定电压(600v、1200v、1700v 和3300v)条件下，英飞凌npt和沟槽场终止igbt芯片的饱和电压v cesat都随着结温升高而增加，呈现正温度系数特性。
IGBT 串联技术综述
3.1.2 复位RCDபைடு நூலகம்位技术 F.V.Robinson等人于2007年提出了基于复位原
理的RCD钳位技术[4]如3所示。这种方法拥有RC或 RCD缓冲电路的简单性，并很容易被应用在电路中。 且由于缓冲电容没有完全放电，所以功率损耗较为 减少。其中Vrst=VDC/n(n为串联功率管的个数)。 3.2 门侧控制技术
二极管被击穿，此时一个额外的信号会加在驱动上， 最终实现对过电压的控制。该法电路简单，容易实 现。但是当某个开关管被钳位后齐纳二极管承受较 大的电压并流过电流，这时它上面有很大的损耗。 因此效率会受到影响。 b) 齐纳二极管、电容钳位电路
为了改进齐纳二极管钳位技术，J.Saiz等人于 2001年提出如图12所示电路[14]。与齐纳二极管钳位 技术相比，增加了一个电容C1，两个电阻R1和R2 与另外一个齐纳二极管Z2。当某个开关管的集电极 电压达到Z1的击穿电压时，由于C1的存在使得Cgs 增大，这个开关管的速度被减缓。Z2实现了集电极 -发射极电压被钳位在需要的值。J.Saiz采用这种方 法在300kV/400A的电路中，使用3只1700V的IGBT 进行了实验。通过对电路中各个参数的影响进行分 析后发现，IGBT拖尾电流的不同会严重影响钳位电 路的功率损耗，尤其是钳位齐纳二极管Z1，同时仔 细设计钳位电路的参数可以对平衡效果、损耗和电 路体积之间进行折中。
以上的有源补偿方法，每个功率管的端电压都 需要采样反馈给控制电路。这导致了电路的复杂化， 并且随着驱动电路器件数量的增加，控制电路的可 靠性降低。J.W.Baek等人于2000年提出如图9所示电 路[11]实现了对端电压钳位作用。该电路由两个电容、 一个二极管和三个电阻组成，全部为无源器件。图9 中R1和R2实现串联IGBT的静态均压，而C1和C2实现 动态均压。当串联的每一个IGBT端电压均衡时，二 极管D阻断了辅助电路与驱动信号，这时候辅助电 路不影响开关管。这个辅助电路主要有6个工作模 态，在文献[11]中有具体的分析。辅助电路同时解决 了动态和静态平衡问题。且它的动态性能很好，不
(整理)IGBT并联技术详解.
IGBT并联技术技术详解IGBT并联均流问题∙影响静态均流的因素1、并联IGBT的直流母线侧连接点的电阻分量，因此需要尽量对称；2、IGBT芯片的Vce(sat)和二极管芯片的V F的差异，因此尽量采取同一批次的产品。
3、IGBT模块所处的温度差异，设计机械结构及风道时需要考虑；4、IGBT模块所处的磁场差异；5、栅极电压Vge的差异。
∙影响动态均流的因素1、IGBT模块的开通门槛电压VGEth的差异，VGEth越高，IGBT开通时刻越晚，不同模块会有差异；2、每个并联的IGBT模块的直流母线杂散电感L的差异；3、门极电压Vge的差异；4、门极回路中的杂散电感量的差异；5、IGBT模块所处温度的差异；6、IGBT模块所处的磁场的差异。
∙IGBT芯片温度对均流的影响IGBT芯片的温度对于动态均流性能和静态均流性能影响很大：1、由于IGBT的Vcesat的正温度系数特性，使温度高的芯片的Vcesat更高，会分得较少的电流，因此形成了一个负反馈，使静态均流趋于收敛；2、根据我们的经验，我们发现，芯片温度变高后，动态均流的性能也会变好；例如在测试动态均流时，我们会使用双脉冲测试方法，但这时芯片是处于冷态的，当把机器跑起来后，动态均流会改善。
∙IGBT芯片所处的磁场对均流的影响IGBT模块附近如果有强磁场，则模块的均流会受到影响。
1、如果两个IGBT模块并联且并列安装，如果交流排的输出电缆在摆放时靠近其中某一个IGBT模块而远离另外一个，则均流性能就会出问题；2、以上现象的原因是某个大电流在导线上流动时会产生磁场，对磁场内的其他导通的电流产生“挤出”或“吸引”的效应；因此，在结构设计时，需要注意交流排出线的走线形式，以免发生磁场的干涉现象。
IGBT并联使用方法分类IGBT并联可以分为“硬并联”及“桥臂并联”2大类。
（1）“硬并联”指的是IGBT的发射极和集电极直接连接在一起，如左下图所示；（2）“桥臂并联”指的是，IGBT桥臂的交流输出端通过均流电抗（感量有一定数值）连接在一起，如右下图所示；这两种分类方法本质上以模块交流端子到汇流端的电感量进行分类的。
IGBT模块驱动技术及应用
二、IGBT驱动与保护
驱动线
IGBT驱动线在设计过程中，尽量设计短，并双绞。
二、IGBT驱动与保护
结温
高结温将有助于减少在高杂散电感条件下的震荡
二、IGBT驱动与保护
二、IGBT驱动与保护
Vce尖峰
Vce尖峰电压由IGBT关断过程中杂散电感及二极管反向恢复产生。
L=85nH
L=185nH
衡IGBT的通态损耗和开关损耗。
一、IGBT基本原理
（2）非穿通（NPT）型IGBT
与PT型IGBT不同，NPT型IGBT以掺杂的N-
栅极
发射极
基区为衬底，P掺杂发射区设计的很薄，没有
PT型IGBT的N型缓冲区，这样在阻断状态，电
场只在N型衬底内存在。因为电场不再“穿
通”N型衬底，因此被称为“非穿通”型IGBT。
针对感性负载，为了防止过压，IGBT需要
并联一个续流二极管给电流提供续流回路。RC
N+
P
IGBT并不是简单的在外部并联一个半导体二极
管，而是在半导体内部实现了一个二极管，主
N-基区
（衬底）
要用于谐振电路、硬开关电路中。
N场终止层
P
N
集电极
P
一、IGBT基本原理
英飞凌IGBT
二、IGBT驱动与保护
IGBT模块驱动技术及应用
一、IGBT基本原理
目
录
二、IGBT驱动与保护
三、双脉冲测试
四、安全工作区
一、IGBT基本原理
1. IGBT基本介绍
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）绝缘栅双极型晶体管
IGBT之父:Jayant Baliga(贾杨.巴利加)教授（20世纪80年代发明）
电力电子器件的串联和并联使用
2. IGBT的并联连接
(1)并联时的注意事项
应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。
(2)并联时的接线方法
在各模块的栅极上分别接上各模块推荐值的栅极电阻RG。栅极到各模块驱动级的配线长短及引线电感要相等，否则会引起各模块电流的分配不均匀，并会造成工作过程中开关损耗的不均匀。
器件并联后，必须降低电流的额定值使用，
晶闸管并联连接时
1应尽可能选择参数比较接近的晶闸管进行并联；
2触发脉冲的前沿要陡，触发脉冲的电流要大，使并联的各晶闸管开通时间之差要小。
3在安装时使各并联支路铜线长短相同，使各支路的分布电感和导线电阻相近。布线尽可能对称,以减少磁场的影响。
在晶闸管装置需要同时采取串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法。
控制回路的接线应使用双芯线或屏蔽线。
主电路需采用低电感接线。使接线尽量靠近各模块的引出端，使用铜排或扁条线，以尽可能降低接线的电感量。
[归纳小结]
1、晶闸管的串并联注意事项。
2、双极型功率晶体管的串并联注意事项。
[布置作业]
为什么有的电力电子器件不采用串联连接？
[课后预习]
三相半波可控整流电路
湖南省技工学校
理论教学教案
教师姓名：
学
科
变频
调速
执行记录
日期
星期
检查
签字
班级
节次
课题
电力电子器件的串联和并联使用
课的
类型
复习
教
学
目
的
掌握电力电子器件的串联和并联原理与使用注意事项。
教
学
重
点
电力电子器件的串联和并联原理与使用注意事项。
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