Uso del módulo IGBT para consideraciones de diseño en paralelo

Debido al alto costo de producción, el precio del módulo IGBT de 1200V y más de 400A en el mercado. En cuanto al módulo estándar de 1200V, 200-400A de 62mm, debido a la tecnología y producto relativamente estables, buena versatilidad del producto y fácil reemplazo, es la forma más económica de usar varios módulos estándar de IGBT en paralelo para mejorar la calificación actual en esta etapa. Sin embargo, debido a la inconsistencia de los parámetros propios del IGBT y la posible asimetría causada por el diseño del circuito, no es una tarea sencilla utilizar el módulo IGBT para el diseño en paralelo. La selección irrazonable de componentes en paralelo o componentes puede fallar fácilmente en el dispositivo y dañar las líneas en el sistema principal. Por lo tanto, este documento, a partir de la experiencia exitosa del departamento de aplicación en el cliente y el equipo de prueba en la fábrica, propone la importancia de utilizar el módulo IGBT en estrella para el diseño en paralelo.

Los módulos generalmente mayores de 100A están compuestos por varios chips en paralelo, aunque los fabricantes pueden utilizar chips en la misma oblea para conectar en paralelo y reducir la diferencia de parámetros del propio módulo. Sin embargo, aún es necesario tener en cuenta las diferencias individuales entre los parámetros del módulo resultante. Al mismo tiempo, la simetría del circuito es una influencia muy importante en paralelo, que puede ser explicada desde dos aspectos estáticos y dinámicos, a partir de la diferencia de parámetros y la diferencia de simetría del circuito.

Factores que afectan el flujo medio en paralelo y estático de los módulos

En el uso real, el estado de trabajo del módulo IGBT se encuentra principalmente en la conducción y el cambio transitorio, y la etapa de conducción es relativamente larga y la corriente es grande. Esta sección tiene un gran impacto. Comience desde el estado de conducción estática.

1.1. Las principales razones que afectan el flujo promedio en paralelo del módulo son los siguientes 4 puntos

A) Efecto de la caída de presión saturada Vce (sat)

B) Efecto de la asimetría de impedancia del circuito de potencia en paralelo

C) Efecto del voltaje de accionamiento del polo de compuerta Vge

D) Efecto del voltaje de encendido V th

E) Efecto de la caída de presión de conducción del diodo Vf

1) Problemas con diferentes Vce (sat) en paralelo:

En muchos casos, la persona promedio piensa que el Vce (sat) generado por la corriente que fluye a través del IGBT es un valor fijo, lo cual es un error. En realidad, Vce (sat) se refiere a la caída de presión generada por la corriente nominal. Para el IGBT, la caída de presión de conducción es una función de la corriente en el mismo V ge.

Para los dos IGBT conectados en paralelo, la caída de presión generada por el paso de guía positivo al abrirse el estado estable es igual. Por lo tanto, el equilibrio de la distribución de corriente depende de las diferencias en las características de salida de los diversos IGBT en paralelo.

La Figura 1 muestra la diferencia en la distribución de corriente de dos IGBT con características de salida diferentes en paralelo (el mismo Vce de dos IGBT en paralelo).

Figura 1 La situación del IGBT después del flujo promedio en paralelo con diferentes características de salida

Figura 2 Diagrama esquemático del flujo promedio cuando está conectado en paralelo

La V mostrada en la Figura 1T1 y VT2 para dos modelos idénticos de IGBT en paralelo, la Figura 2 muestra que las características de salida de los dos IGBT son ligeramente diferentes.iC1 e iC2 respectivamente VT1 y VT2 al tener la misma caída de presión del tubo (UCE1=UCE2) La corriente del colector abajo, I indica la corriente nominal de este tipo de IGBT, Vcesat1 y Vcesat2 representan la caída de presión saturada de dos IGBT a corriente nominal. Se puede aproximar que:

R1=uff08Vce sa t 1-Vo1)/I (1)

R2=uff08Vce sa t 2-Vo2)/I (2)

UCE1=Vo1+R1×iC1(3)

UCE2=Vo2+R2×iC2(4)

Cuando están conectados en paralelo, el UCE1=UCE2=Uce, es

iC1=uff08 Uce-Vo1 uff09/R1=uff08 Uce-Vo1 uff09×I/uff08Vcesat1-Vo1)

iC2=uff08Uce-Vo2uff09/R1=uff08Uce-Vo2uff09 ×I/uff08Vcesat2-Vo2)

Dado que estos dos IGBT son del mismo tipo, Vo1 Vo2 =Vo entonces

Por lo tanto, si la corriente de dos módulos IGBT en paralelo es I, la corriente de dos módulos IGBT con diferente Vce se puede calcular de la siguiente manera:

iC 1=uff08 Uce-V o1 uff09/R 1=uff08 Uce-V o1 uff09×I/uff08Vcesa t 1-V o1)=uff08Uce-V o uff09×I/uff08Vcesa t 1-V o ) iC 2=uff08Uc e-V o2uff09/R 1=uff08Uc e-V o2uff09×I/uff08Vc e s a t 2-V o2)=uff08Uc e-V o uff09×I/uff08Vc e s a t 2-V o )

Tomemos el GD200HFL120C2S más común, por ejemplo:

Supongamos un valor mayor de Vcesat1 2.5V (125℃), menor valor Vcesat2Para 2.1V, (125℃),

Vo =0.8V

Suponiendo un valor mayor de Vcesat1Es 2.2V, con el valor menor de Vcesat1Para 2.1V, ser verificado por el manual de datos

El Vo típico es =0.8V

Si la diferencia de Vcesat es 0.1V, incluso si la corriente de salida requerida por el módulo en paralelo es io =200A, la diferencia de corriente del módulo IGBT inferior de otro Vce (sat) es 6A. En la práctica, habrá más pérdida que en otro módulo IGBT, aunque el chip IGBT esté en una corriente grande

Tiene un coeficiente de temperatura positivo, por lo que cuando los dos módulos IGBT están en paralelo, se recomienda que la diferencia entre V ce (sa t) no debe exceder 0.2V. Si es inevitable, se recomienda dejar un margen grande en la temperatura estacionaria para compensar.

2) Derivación desigual causada por la asimetría de impedancia del circuito de potencia

Fig. 2 Efecto de la impedancia del circuito principal

Generalmente se cree que la diferencia en el almacenamiento en paralelo de la línea del bus resultará en la impedancia del circuito. Por lo tanto, si el módulo IGBT que utiliza la diferencia V c e (s a t) es menor que 0.2V, se debe tener en cuenta la simetría de la línea del bus. De hecho, el impacto de esta parte es en realidad bajo, como el diagrama del circuito equivalente 2, el RE1 y RE2 equivalen a la conexión en serie de dos resistencias y la rama original de dos flujos uniformes promedio, si la impedancia es inconsistente, causará que el flujo uniforme sea inconsistente, como RE1 > RE2, eso significa que RE2 inevitablemente tendrá más corriente por encima de la rama, causando un desequilibrio desigual y viceversa. Tomemos GD200HFL120C2S como ejemplo:

La corriente real requerida para el módulo en paralelo es i o =200A, cada módulo es en realidad de 100A, y la caída de presión en el módulo real es Uce =1.7V

Supongamos que la sección transversal de la medalla de bronce es 410-5m2, La longitud de la fila maestra del módulo 1 es 0.8m, la longitud de la fila maestra del módulo 1 es 0.6m, y la tasa de resistencia térmica a 30°C es 1.810-8Ω*m

Comparado con la influencia de V c e (s a t), la influencia de la asimetría del bucle de potencia es relativamente innecesaria cuando está estático. Sin embargo, el bus también introducirá la inductancia del cable, lo que tendrá un gran impacto en el flujo promedio dinámico, lo cual se discutirá más adelante.

3) Influencia del voltaje de accionamiento del polo de compuerta Vge

La corriente IC del módulo que fluye a través del IGBT impulsado por el voltaje de compuerta Vge genera la caída de presión de conducción Vce, que no solo está relacionada con la corriente que fluye Ic, el V ce (sat) proporcionado anteriormente, sino que también está directamente relacionada con el voltaje de accionamiento de compuerta Vge.

Por el contrario, a diferentes voltajes de accionamiento Vge, con el mismo Vce en paralelo, la corriente Ic a través de los dos es naturalmente diferente.

Figura 3. Curva característica de salida del módulo IGBT

Desde la Figura 3, podemos ver claramente que,

Como en Vge =13V, en Vce =2.5V, a través de la corriente Ic 255A

Como en Vge =15V, en Vce =2.5V, a través de la corriente Ic 285A

Por lo tanto, el diseño del circuito de control necesita prestar mucha atención y asegurarse de garantizar el voltaje de accionamiento del módulo en paralelo.

Debe enfatizarse aquí que el voltaje de puerta Vge discutido anteriormente se refiere a los dos extremos de la puerta IGBT, no al voltaje de salida de la placa de accionamiento, y los clientes descuidados a menudo cometen este error. Como se puede ver en la Figura 4, hay una resistencia de puerta entre el chip de accionamiento y el polo de la puerta, y la conexión eléctrica desde el chip de accionamiento hasta el polo de la puerta IGBT, que es el cable de puerta de la máquina generalmente visto en la máquina, y la diferencia de parámetros del componente de accionamiento y el cable de puerta se comparará con el momento de apertura y cierre.

Destacar, causará la adición al voltaje de compuerta del IGBT y la inconsistencia del voltaje de salida. Esto no será un problema en estado estable porque la compuerta pertenece a un estado de alta resistencia.

Figura 4 Diagrama esquemático del controlador del módulo

4) Efecto del voltaje de apertura, Vth

Dado que el voltaje aplicado por el circuito de control a la compuerta es un proceso desde la presión negativa hasta el voltaje positivo aplicado (si hay una presión negativa apagada), la corriente I no puede fluir a través del módulo antes del voltaje de compuerta Vth, por lo que el IGBT del menor Vge (th) se abrirá antes y se apagará más tarde. Dado que este efecto ocurre principalmente en el momento de la apertura, y se puede conocer a partir de la curva característica de transferencia de la FIG. 4, la corriente I c es muy pequeña cuando el voltaje de control es V t h. Generalmente, la diferencia de Vth del módulo del mismo tipo está dentro de 0.5V, por lo que el efecto del voltaje de apertura Vth es relativamente débil.

5 Características de transferencia del módulo IGBT

5) Efecto del diodo Vf

En el inversor y otras aplicaciones, el diodo en paralelo inverso del módulo IGBT necesita soportar mucha corriente. El efecto de Vf del diodo en el flujo medio es exactamente el mismo que el de Vce (sat) en el flujo medio, solo que el IGBT se ve afectado por Vce (sat) y el Vf del diodo.

R1=uff08V f-Vo1)/I R2=uff08V f-Vo2)/I Uf1=Vo1+R1×if1Uf2=Vo2+R2×if2

(1)

(2)

(3)

(4)

Cuando Uf1=Uf2=Uf está conectado en paralelo, entonces

iC1=uff08 Uf-Vo1 uff09/R1=uff08 Uf-Vo1 uff09×I/uff08Vf1-Vo1)

iC2=uff08 Uf-Vo2uff09/R1=uff08 Uf-Vo2uff09 ×I/uff08Vf2-Vo2)

Dado que estos dos diodos son del mismo tipo, Vo1 Vo2 =Vo

Por lo tanto, si la corriente de dos módulos IGBT en paralelo es I, la corriente de dos módulos IGBT con diferente Vce se puede calcular de la siguiente manera:

iC1=uff08 Uf-Vo1 uff09/R1=uff08 Uf-Vo1 uff09u00d7I/uff08Vf1-Vo1)=uff08 Uf-Vo uff09 u00d7I/uff08Vf1-Vo) iC12=(Uf-Vo2) / R2= (Uf-Vo2) I / (Vf2-Vo2) = (Uf-Vo) I / (Vf2-Vo) El módulo común de 150A es columna,

Suponiendo que el valor más grande V f es 2.2V y el valor más pequeño Vf es 2.1V, el típico Vo encontrado en el manual de datos es =1.3V

Factores que afectan al flujo dinámico paralelo

Las principales razones que afectan al flujo medio dinámico paralelo de los módulos son los siguientes 3 puntos

A) Parámetros dinámicos del propio IGBT

b) Inducción parasitaria del circuito de accionamiento

c) La inductancia parásita del circuito de potencia

1) Distribución desigual causada por los propios parámetros de IGBT

El factor principal que afecta al equilibrio de corriente en el momento de conmutación es las características de transferencia del dispositivo en paralelo.

Figura 3. Comparación de las características de transferencia de los módulos en paralelo

Diagrama de comparación de dos propiedades de módulos en paralelo con características de transferencia inconsistentes mostradas en la Figura 3. En la FIG. 3, cuando se aplica el mismo voltaje de accionamiento V al módulo paraleloGECuando, el módulo IGBT empinado soportará más corriente, y la pérdida de conmutación también será mayor.2) Parasitismo del circuito de accionamiento y derivación desigual causada por la inductancia

Junto con la capacitancia parásita a nivel de compuerta del IGBT, la inductancia parásita del circuito de accionamiento puede causar oscilaciones severas, provocando fluctuaciones en el voltaje de compuerta. La inductancia parásita del emisor puede causar variación en el grado de conmutación.

Circuito de accionamiento del polo de compuerta IGBT RG, inductancia de cable LGLE y capacitancia de entrada del IGBT CinEl proceso de apertura y conmutación es una típica respuesta de circuito serie R L C. En la Figura 4, el resistor R corresponde a RG, L corresponde a la inductancia LG+LE, el capacitor C corresponde a la capacitancia de entrada Cin.