Consideraciones sobre el uso del módulo IGBT en diseños en paralelo

Consideraciones de diseño en paralelo para el uso del módulo IGBT

Debido al alto coste de producción, el precio de los módulos IGBT de 1200 V superiores a 400 A en el mercado es elevado. En cuanto al módulo estándar de 1200 V, 200-400 A y 62 mm, debido a su tecnología y producto relativamente estables, su buena versatilidad y su fácil sustitución, en esta etapa la forma más económica de aumentar la capacidad de corriente es utilizar varios módulos IGBT estándar en paralelo. Sin embargo, debido a la inconsistencia de los parámetros propios del IGBT y a la posible asimetría provocada por el diseño del circuito, no es una tarea sencilla utilizar módulos IGBT para diseño en paralelo. Una selección inadecuada de componentes en paralelo puede provocar fácilmente fallos del dispositivo y dañar las líneas del sistema principal. Por ello, este artículo, basándose en la experiencia exitosa del departamento de aplicaciones del cliente y en los equipos de prueba de fábrica, propone la importancia de utilizar módulos IGBT en estrella para el diseño en paralelo.

Los módulos de más de 100 A generalmente están formados por varios chips en paralelo; aunque los fabricantes pueden usar chips de la misma oblea conectados en paralelo para reducir la diferencia de parámetros del propio módulo, aun así es necesario tener en cuenta las diferencias individuales entre los parámetros resultantes del módulo. Al mismo tiempo, la simetría del circuito es un factor de influencia muy importante en la conexión en paralelo, lo cual puede explicarse desde dos aspectos: estático y dinámico, a partir de la diferencia de parámetros y de la simetría del circuito.

Factores que afectan la circulación en paralelo y el reparto medio en estado estático de los módulos

En uso real, el estado de trabajo del módulo IGBT se encuentra principalmente en la conducción y en el transitorio de conmutación; la etapa de conducción es relativamente larga y la corriente es elevada. Esta sección tiene una gran influencia. Empezamos por el estado estático de conducción.

1.1. Las principales razones que afectan al reparto medio en paralelo del módulo son las siguientes 4

A) Efecto de la caída de tensión en saturación Vce (sat)

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

c) Efecto de la tensión de excitación de la compuerta Vge

d) Efecto de la tensión umbral Vth

e) Efecto de la caída de tensión de conducción del diodo Vf

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

En muchos casos, la gente cree que el Vce (sat) generado por la corriente que circula por el IGBT es un valor fijo, lo cual es un error. Vce (sat) en realidad se refiere a la caída de tensión generada por la corriente nominal. Para el IGBT, la caída de tensión en conducción es una función de la corriente con el mismo Vge.

Para los dos IGBT conectados en paralelo, la caída de tensión generada por la guía positiva al abrirse en estado estacionario es igual. Por tanto, el equilibrio de la distribución de corriente depende de las diferencias en las características de salida de los distintos IGBT en paralelo.

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

Figura 1. Situación del IGBT tras el reparto medio en paralelo con distintas características de salida

Figura 2. Esquema del reparto medio cuando se conecta en paralelo

El V mostrado en la figura 1T1 y VT2, para dos modelos IGBT idénticos conectados en paralelo, la figura 2 muestra que las características de salida de los dos IGBT son ligeramente diferentes. iC1 e iC2 son respectivamente VT1 y VT2, con la misma caída de tensión del tubo (UCE1=UCE2), la corriente de colector por debajo de I indica la corriente nominal de este tipo de IGBT; Vcesat1 y Vcesat2 representan la caída de tensión en saturación de dos IGBT a la corriente nominal. Puede aproximarse que:

R1=（Vce sat 1-Vo1)/I        (1)

R2=（Vce sat 2-Vo2)/I        (2)

UCE1=Vo1+R1×iC1(3)

UCE2=Vo2+R2×iC2(4)

Cuando se conectan en paralelo, UCE1=UCE2=Uce, es

iC1=（ Uce-Vo1 ）/R1=（ Uce-Vo1 ）×I/（Vcesat1-Vo1)

iC2=（Uce-Vo2）/R1=（Uce-Vo2） ×I/（Vcesat2-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 puede calcularse de la siguiente manera:

iC 1=（ Uce-V o1 ）/R 1=（ Uce-V o1 ）×I/（Vcesa t 1-V o1)=（Uce-V o ）×I/（Vcesa t 1-V o ) iC 2=（Uc e-V o2）/R 1=（Uc e-V o2）×I/（Vc e s a t 2-V o2)=（Uc e-V o ）×I/（Vc e s a t 2-V o )

Tomemos como ejemplo el más común GD200HFL120C2S:

Supongamos un valor mayor de Vcesat1 de 2,5 V (125 ℃), y un valor menor de Vcesat2 de 2,1 V (125 ℃),

Vo =0,8 V

Suponiendo un valor mayor de Vcesat1 de 2,2 V, y un valor menor de Vcesat1 de 2,1 V, consúltese el manual de datos.

El Vo típico es = 0,8 V

Si la diferencia de Vcesat es de 0,1 V, incluso si la corriente de salida requerida por el módulo en paralelo es io = 200 A, la diferencia de corriente del módulo IGBT inferior con otro Vce(sat) es de 6 A. En la práctica, habrá más pérdidas que en otro módulo IGBT, aunque el chip IGBT esté en una corriente elevada.

Tiene un coeficiente de temperatura positivo, por lo que, cuando los dos módulos IGBT están conectados en paralelo, se recomienda que la diferencia entre Vce(sat) no supere 0,2 V. Si no puede evitarse, se recomienda dejar un amplio margen en la temperatura de estado estable para compensar.

2) Reparto desigual de corriente causado 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 tendido en paralelo del bus hará que cambie la impedancia del circuito. Por lo tanto, si la diferencia de Vce(sat) del módulo IGBT es inferior a 0,2 V, debe tenerse en cuenta la simetría de la línea de bus. En realidad, el impacto de esta parte es bastante bajo; por ejemplo, en el diagrama de circuito equivalente 2, RE1 y RE2 son equivalentes a la conexión en serie de dos resistencias y al reparto uniforme original en dos ramas; si la impedancia no es consistente, provocará que el reparto de corriente tampoco lo sea. Por ejemplo, si RE1 > RE2, inevitablemente habrá más corriente en la rama RE2, lo que causará un desequilibrio desigual, y viceversa. Tomando como ejemplo el GD200HFL120C2S:

La corriente real requerida por el módulo en paralelo es io = 200 A, cada módulo es en realidad de 100 A, y la caída de tensión en el módulo real es Uce = 1,7 V

Supóngase que la sección del embarrado de cobre es de 4×10-5 m2, la longitud de la barra principal del módulo 1 es de 0,8 m, la longitud de la barra principal del módulo 1 es de 0,6 m, y la resistividad térmica a 30 ℃ es de 1,8×10-8 Ω·m

En comparación con la influencia de Vce(sat), la influencia de la asimetría del circuito de potencia es relativamente innecesaria en estado estático. Sin embargo, el bus también introducirá inductancia parásita, lo que tendrá un gran impacto en el reparto dinámico de corriente, que se tratará con más detalle más adelante.

3) Influencia de la tensión de excitación de puerta Vge

La corriente IC que atraviesa el módulo IGBT excitado por la tensión de puerta Vge genera la caída de conducción Vce, que no solo está relacionada con la corriente que circula Ic y con el Vce(sat) indicado anteriormente, sino que también está directamente relacionada con la tensión de excitación de puerta Vge.

Por el contrario, con diferentes tensiones de excitación Vge y el mismo Vce en paralelo, la corriente Ic que atraviesa ambos será naturalmente diferente.

Figura 3. Curva característica de salida del módulo IGBT

A partir de la figura 3, podemos ver claramente que,

Como en Vge = 13 V, a Vce = 2,5 V, la corriente Ic es de 255 A

Como en Vge = 15 V, a Vce = 2,5 V, la corriente Ic es de 285 A

Por lo tanto, el diseño del circuito de excitación debe prestar mucha atención y asegurarse de garantizar la tensión de excitación del módulo en paralelo.

Cabe destacar aquí que la tensión de puerta Vge discutida anteriormente se refiere a los dos extremos de la puerta del IGBT, no a la tensión de salida de la placa de excitación, y los clientes distraídos suelen cometer este error. Como puede verse en la figura 4, hay una resistencia de puerta entre el chip de excitación y el terminal de puerta, y la conexión eléctrica desde el chip de excitación hasta el terminal de puerta del IGBT, que es el cable de puerta de la máquina que normalmente se ve en la máquina, y la diferencia de parámetros del componente de excitación y del cable de puerta se comparará con el momento de apertura y cierre

de forma destacada, provocará una discrepancia entre la tensión de puerta añadida al IGBT y la tensión de salida. Esto no será un problema en estado estable porque la puerta pertenece a un estado de alta resistencia.

Figura 4. Esquema del controlador del módulo

4) Efecto de la tensión de apertura, Vth

Debido a que la tensión aplicada por el circuito de excitación a la puerta es un proceso que va desde una tensión negativa hasta una tensión positiva aplicada (si existe un apagado con tensión negativa), la corriente I no puede circular por el módulo antes de la tensión de puerta Vth, por lo que el IGBT con menor Vge(th) se abrirá antes y se cerrará más tarde. Dado que este efecto se produce principalmente en el momento de la apertura, y puede observarse en la curva característica de transferencia de la figura 4, la corriente Ic es muy pequeña cuando la tensión de excitación es Vth. Por lo general, la diferencia de Vth entre módulos del mismo tipo está dentro de 0,5 V, por lo que el efecto de la tensión de apertura Vth es relativamente débil.

5 Curvas características de transferencia del módulo IGBT

5) Efecto de la Vf del diodo

En el inversor y otras aplicaciones, el diodo en antiparalelo del módulo IGBT debe soportar mucha corriente. El efecto de Vf del diodo sobre el reparto de corriente es exactamente el mismo que el de Vce(sat) sobre el reparto de corriente; solo que en el IGBT se ve afectado por Vce(sat) y en el diodo por Vf.

R1=（Vf-Vo1）/I R2=（Vf-Vo2）/I Uf1=Vo1+R1×if1 Uf2=Vo2+R2×if2

(1)

(2)

(3)

(4)

Cuando Uf1 = Uf2 = Uf se conectan en paralelo, entonces

iC1 =（Uf-Vo1）/R1 =（Uf-Vo1）×I/（Vf1-Vo1)

iC2=（ Uf-Vo2）/R1=（ Uf-Vo2） ×I/（Vf2-Vo2)

Como 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 distinto Vce se puede calcular de la siguiente manera:

iC1=（ Uf-Vo1 ）/R1=（ Uf-Vo1 ）×I/（Vf1-Vo1)=（ Uf-Vo ） ×I/（Vf1-Vo) iC12=(Uf-Vo2) / R2= (Uf-Vo2) I / (Vf2-Vo2) = (Uf-Vo) I / (Vf2-Vo) El módulo común de 150 A es tipo columna,

Suponiendo que el valor mayor de Vf sea 2,2 V y el menor de Vf sea 2,1 V, el Vo típico indicado en la hoja de datos es 1,3 V

Factores que afectan el flujo dinámico en paralelo

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

A) Parámetros dinámicos del propio IGBT

b) Inductancia parásita del circuito de mando

c) La inductancia parásita del circuito de potencia

1) Distribución desigual causada por los propios parámetros del IGBT

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

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

El diagrama comparativo de las propiedades de dos módulos en paralelo con características de transferencia inconsistentes se muestra en la Figura 3. En la FIG. 3, cuando se aplica la misma tensión de mando V al módulo en paralelo GE, el módulo IGBT con pendiente soportará más corriente y la pérdida de conmutación también será mayor. 2) Parasitismo del circuito de mando y distribución desigual causada por la inductancia

Combinada con la capacitancia parásita de la compuerta del IGBT, la inductancia parásita del circuito de mando puede provocar oscilaciones severas, causando fluctuaciones en la tensión de compuerta. La inductancia parásita del emisor puede provocar variaciones en el grado de conmutación.

El circuito de mando de compuerta del IGBT RG, la inductancia de los conductores LGLE y la capacitancia de entrada Cin del IGBT forman un circuito típico en serie RLC en el proceso de encendido y conmutación. En la Figura 4, la resistencia R corresponde a RG, L corresponde a la inductancia LG+LE, y el condensador C corresponde al condensador de entrada Cin。