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应用手册
日期: 27.09.2004
AN-Number: AN2004-06
第一页
部门: SM-AE
EconoPACKTM+的并联
1. EconoPACKTM+ 的设计
2. IGBT3 与EmCon HE二极管的并联
3. EconoPACKTM+的并联方法
4. 并 联 电 路 中 动 态 和 静 态 电 流 的 分 配
5. IGBT的控制
6. 由 输 出 电 感 实 现 的 对 称 性
7. 由 扼 流 圈 环 形 电 路 实 现 的 对 称 性
1. EconoPACKTM+ 的设计
EconoPACKTM+是为了适应不同应用场合的灵活应用而开发设计的,包
括 应 用 于 “ SixPACK ” 结 构和 多 模 块 并 联 。 当EconoPACKTM+ 模 块 用 作
“SixPACK”使用时, EconoPACKTM+半桥部分外部并联的电路就作为
“SixPACK”的内部并联电路。为了充分利用并联结构,应当遵守一些应用
规则。
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第二页
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2. IGBT3与EmCon HE二极管的并联
EconoPACKTM+模块配有专有的IGBT3 和EmCon HE或EmCon3二极
管。 这两种半导体器件均是Infineon公司与eupec公司合作开发和生产的。并
联的好处是由NPT场截止技术带来的。
这一点使得IGBT在整个工作范围内都有正温度系数,如同二极管在大于等
于额定电流时有正温度系数。明显的好处是VCEsat , VF和VGeth值离散性很
小。所有的这些特点使其有着出色的并联开关特性。
3. EconoPACKTM+并联方法
在一个双并联结构中,3乘2的半桥电路并联连接。这一并联方式是通过外
部相线连接实现的。
图 2 : 双并联结构
在一个三重的并联结构中,每个EconoPACKTM+均连接成半桥形式。同
样的,此时也是通过外部相线连接成并联方式,不过这里需要更加留意三个
半桥电路的对称性。
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图 3: 三重并联结构
多于三个半桥电路的并联也是可以的。不过,我们建议使用堆叠并联或者使
用eupec IHM模块。
4. 并联电路中动态和静态电流的分配
并联的IGBT模块中,电流分配的对称性与一些因素有关。我们需要对静态
和动态电流的分配分别分析。
静态电流分配可以用导通的IGBT和导通电流时的以下参数定义:
a) 每个半桥模块并联点上的电阻大小差别;
b) 并联芯片的VCE sat 和 VF 的离散性;
c) 并联半桥电路之间的温度差别。
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图4: 并联连接的EconoPACKTM+模块的电流分配
续a) 模块里的连接线和铜引线(在DCB上)电阻几乎一样,因为这三个系统
的EconoPACKTM+ 结构是对称的。内部的电阻值在数据手册中定义为RCC`/EE。
母线排在物理结构上也是对称的。否则,如果不对称,会导致不同的铜引线电
阻。
除了保证对称性结构外,还需要特别注意功率端子不要受腐蚀或者污损。
续 b) VCE sat 和 VF 值受产品一致性的影响。对于NPT场截止技术而言,产品差
异很小,因此在并联设计时只要留很小的电流裕量就可以了。由于上面提到的
正温度系数,连接时没必要对芯片的饱和电压进行选择。
续c) VCEsat 值与 VF 值与温度有关。散热介质温度的显著差异会导致电流的不
均流。均匀地冷却可以解决这一问题。
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开通和关断期间的动态电流分配可以定义为:
A) IGBT芯片驱动电压VGEth 的离散性。
B) 每个半桥模块直流母线上的杂散电感的差异
C) 换流时磁场分布的差异
D) 并联的半桥模块的温度差异
图 5: 并联的EconoPACKTM+的动态电流分配
续 A) VGEth 值受产品差异的影响,对于NPT场截止技术而言,产品差异也很
小,所以它并不是引起开关电流不均流的主要因素。
续 B) 对IGBT和二极管开关时电流均流影响较多的是外部直流母线排的杂散
电感Lδ。不同的杂散电感会引起IGBT不同的开关行为。如果直流母线排设
计配置合理,那么开关时的均流特性将得到改善。
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续 C) 通电流的导体会有产生一个闭合环绕的磁场,磁场强度为H。在几个半
桥电路的并联结构中,在每个载流的通电导体上会产生以载流通电导体为轴
心线的相同方向环绕闭合的磁场。图6.
图 6: 并联EconoPACKTM+的磁场分布
由于邻近并联模块的耦合程度不同,并联电路间在换流时会产生不同大小
的磁场。如图7. 这样会导致并联的半桥电路的开关速度不同。对这一影响
的一个补偿办法是,调整外部杂散电感或相线上的电感。详见B部分。
TM
图7: 并联的EconoPACK +的换流过程
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图8: 三相并联EconoPACKTM+半桥电路。没有调整匹配时的电流分配。
[Courtesy General Electric Co., Salem VA]
图 9: 三相并联EconoPACKTM+半桥电路。调整匹配驱动电阻时的电流分配[Courtesy
General Electric Co., Salem VA]
TM
图10: 三相并联EconoPACK +半桥电路。调整匹配直流母线杂散电感时的电流分
配。[Courtesy General Electric Co., Salem VA]
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5. IGBT的控制
在并联电路中,并联的IGBT应当要同时开通和关断。若开关不同时也将导
致动态电流的不均流。为了确保同时开关,所有并联的IGBT可由同一个通道
的驱动信号驱动。并联的IGBT也可由不同通道的驱动信号分别驱动。这种方
式的不足之处在于不同信号通道的响应时间不同,优点在于不存在通过辅助集
电极和辅助发射极的电流平衡过程。最具性价比的驱动选择是所有并联的
IGBT由一个驱动信号驱动。(如图11和图12)
Vce测量用高压二极管
门极驱动电阻
钳位二极管
NTC
TM
图11: 并联EconoPACK + 的驱动电路
为每个IGBT分别提供一个门极驱动电阻并在门极和发射极间并联箝位二极
管是十分重要的。它们要尽量靠近IGBT模块。上管并联的集电极要通过电阻
解耦。这些集电极电阻阻值应当越小越好。
流过辅助集电极的平衡电流不得超过25ARMS。要注意集电极上的解耦电阻
对脉冲电流的承受能力。为测量VCE或用于有源钳位而加入的高压二极管也应
当尽可能靠近模块。如图11.
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在并联电路中,平衡电流可能会流过辅助发射极。这些电流会按照需求相
应增加,以实现并联桥臂间电流的对称。对于辅助发射极而言,建议这些电阻
越小越好。这些电阻的主要缺点在于会引起压降,压降方向取决于平衡电流方
向的不同,而这一压降会加大或者减小栅极驱动电压。结果会导致IGBT开通或
关断时的不均等。无论如何,当流过辅助发射极的平衡电流>25ARMS 时,应当
采用电阻限制电流的大小。要注意这些电阻的脉冲电流承受能力。门极电阻的
计算公式为:R =Rgate +REmitter 。正如图13b所示,也可以使用电流补偿扼流
圈。在门极和相应发射极导线上的电流不对称时,它们能够限制电流。
图12: EconoPACKTM+模块的辅助集电极、门极和辅助发射极的电流负载表
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TM
图13a: 并联系统的EconoPACK +的控制电路器件
下管IGBT的辅助集电极连接到上管IGBT的辅助发射极。为了利用上管的辅
助发射极来测量VCE 或者对下管进行有源箝位,高压二极管要尽可能靠近模
块,并按图13所示连接。
-
-
-
图13b: 利用电流补偿扼流圈限制辅助导线上的电流
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6. 通过输出电感实现的电流均流
在每个半桥电路的输出端连接电感会影响并联电路的动态解耦。如果
电感L的阻抗Z=L大于IGBT模块的阻抗,则电流将会均匀地流过输出电
感。如图14所示。
I

L
NTC
图14: 通过输出电感实现电流均流
除了影响电流的均流外,电感L 也能够减小负载的dv/dt。输出扼流
圈与负载电感串联。如果忽略导线电阻,将得到一个感性的分压器。在负
载电感两端并联一个电容将进一步抑制负载的dv/dt。
图15. 通过LC网络减小dv/dt
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7. 通过环绕扼流圈电路实现电流均流
NTC
图17. 例: 由环绕扼流圈电路实现电流均流的EconoPACKTM+ 并联电路
通过在并联电路每路的输出端连接电流补偿扼流圈,即所谓的“环绕电
路”能够进一步减小并联电路电流的不均流。这个方法类似于图13b所示。每
个扼流圈的电感量是电流差分的方程L= f(i),而且只适用于差分电流时。如
果每相的电流相等,则扼流圈的电感量为零。
最简单的方法是使用铁粉芯。如图18的例子所示。
+
+
+
-
图18: 采用铁粉芯磁环环绕电路实现的简单均流电路
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图19: EconoPACKTM+三相并联的电流分配。三相输出电流值总和为1410A。
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