【導讀】大功率系統需要并聯(lián) IGBT來(lái)處理高達數十千瓦甚至數百千瓦的負載，并聯(lián)器件可以是分立封裝器件，也可以是組裝在模塊中的裸芯片。這樣做可以獲得更高的額定電流、改善散熱，有時(shí)也是為了系統冗余。部件之間的工藝變化以及布局變化，會(huì )影響并聯(lián)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配。系統設計工程師需要了解這些，才能設計出可靠的系統。
大功率系統需要并聯(lián) IGBT來(lái)處理高達數十千瓦甚至數百千瓦的負載，并聯(lián)器件可以是分立封裝器件，也可以是組裝在模塊中的裸芯片。這樣做可以獲得更高的額定電流、改善散熱，有時(shí)也是為了系統冗余。部件之間的工藝變化以及布局變化，會(huì )影響并聯(lián)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配。系統設計工程師需要了解這些，才能設計出可靠的系統。
并聯(lián) IGBT 的應用中，首先要考慮均衡損耗。如果損耗不能均勻分擔，器件之間的熱差異將導致一些問(wèn)題，可能使晶體管出現故障。不平衡來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面。IGBT 內部的不平衡可以通過(guò)選擇合適的器件來(lái)解決，IGBT 外部的不平衡可通過(guò)良好的系統設計來(lái)解決。本白皮書(shū)將探討IGBT并聯(lián)的技術(shù)要點(diǎn)，第一篇將介紹靜態(tài)變化、動(dòng)態(tài)變化、熱系數。
從 IGBT 的靜態(tài)角度來(lái)看，有兩個(gè)參數非常重要。它們是第一象限工作期間 VCE（SAT）的變化和跨導的變化（見(jiàn)圖 2 和圖 3）。
VCE(SAT)是一個(gè)重要參數，控制著(zhù) IGBT 的導通損耗，導通損耗對總體損耗和器件的散熱都有很大影響。VCE(SAT)通常在 25°C 和額定結溫下給出，有時(shí)也會(huì )在其它溫度下給出。一般情況下，25°C 時(shí)給出典型值和最大值，其他溫度下只給出典型值。
跨導也因器件而異。該參數被定義為柵極電壓變化時(shí)集電極電流的變化。它不是一個(gè)常數，數據手冊中通常會(huì )顯示一條典型曲線(xiàn)。從圖 1 中可以看出，它會(huì )隨溫度變化而變化?？鐚У淖兓韧?VCE（SAT）的變化。
圖 1. 典型 IGBT 傳輸特性 VGE = 20 V
IGBT 的 VCE(SAT)是計算靜態(tài)變化時(shí)的主要參數，直接關(guān)系到晶體管的導通損耗?？鐚ǔＶ恢付榈湫椭?，因此不因器件不同而變化。VCE(SAT)通常是一定溫度范圍內的數值，也因器件不同而不同。大多數制造商只提供 25°C 時(shí)的典型值和最大值；然而，安森美（onsemi）提供了用于并聯(lián)應用的 IGBT 的最小值和最大值。雖然最小 VCE(SAT)值對單個(gè)器件來(lái)說(shuō)并不重要，但在并聯(lián)應用時(shí)卻非常有用，可以通過(guò)具體的應用場(chǎng)景來(lái)詳細分析這種損耗。
需要注意的是，雖然尚未討論溫度系數，由于非穿通型 IGBT 具有正溫度系數，當由于飽和電壓較低的 IGBT 發(fā)熱而出現溫度不平衡時(shí)，VCE(SAT)的差異將降到最低。
另一個(gè)靜態(tài)變化是反并聯(lián)整流器的正向壓降。在大多數硬開(kāi)關(guān)應用中，二極管是傳導第三象限電流所必需的。
圖 2. IGBT 的第一象限導通
圖 3. 二極管的第三象限導通
反并聯(lián)二極管通常與 IGBT 共同封裝，但在某些情況下也可以單獨封裝。如果 IGBT 是共封裝器件，數據手冊中會(huì )給出二極管的正向特性。有關(guān)變化的數據因器件而異。通常在電氣特性部分給出典型值和最大值，在典型特性部分給出一組隨溫度變化的曲線(xiàn)。
損耗的動(dòng)態(tài)成分包括開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗和二極管反向恢復損耗。柵極驅動(dòng)電路可在一定程度上控制開(kāi)通和關(guān)斷損耗。柵極電壓和驅動(dòng)阻抗都是系統參數，可以通過(guò)改變這些參數來(lái)調節損耗。
集電極上升時(shí)間通常在 10 - 50 ns 之間，而下降時(shí)間通常比上升時(shí)間慢 3 - 8 倍。上升和下降時(shí)間受柵極驅動(dòng)電平和阻抗的影響，因此，為了最小化不同器件之間開(kāi)關(guān)速度的差異，在并聯(lián)應用中確保所有器件的驅動(dòng)信號一致是非常重要的。
為了盡可能匹配并聯(lián)器件的開(kāi)關(guān)速度，正確的布局技術(shù)至關(guān)重要。布局應盡可能對稱(chēng)，使寄生電感盡可能匹配。盡量減小發(fā)射極到地的阻抗和阻抗失配也非常重要。如果使用電流檢測變壓器，應將其連接在集電極路徑上。使用電流檢測電阻時(shí)，通常將其連接在發(fā)射極通路上，只要是無(wú)感電阻且布局保持平衡，就不會(huì )造成問(wèn)題。
正確的布局還要求每個(gè)器件的熱路徑盡可能匹配，例如，不要將一個(gè)器件放在散熱器的邊緣，將另一個(gè)器件放在散熱器的中心，盡可能將它們放在散熱器的對稱(chēng)位置。
動(dòng)態(tài)損耗的變化來(lái)自多個(gè)參數。芯片與芯片之間以及晶圓與晶圓之間的開(kāi)關(guān)速度存在固有差異。此外，跨導方面的差異也會(huì )導致上升和下降時(shí)間的不同。這也可以被認為是 Vth 的差異，柵極電壓位于跨導曲線(xiàn)的一個(gè)軸上。
除了前面討論的發(fā)射極電感的變化外，柵極電感和電阻的任何變化都會(huì )導致柵極信號的不平衡。
熱系數是并聯(lián) IGBT 時(shí)的一個(gè)重要參數。它必須是一個(gè)正系數，才能實(shí)現電流均衡。這就是圖 1 中等溫點(diǎn)上方的區域。較高的正熱系數可實(shí)現更均衡的電流，但也會(huì )增加大電流時(shí)的損耗，因為 VCE(SAT)會(huì )隨溫度升高而增加。
負的熱系數是不安全的。如果并聯(lián)器件中的一個(gè)器件比其他器件都熱，它的導電性會(huì )增強，通過(guò)它的電流越大，它的溫度就會(huì )更高，如此循環(huán)。最好的情況是出現較大的熱失衡，最壞的情況是器件可能會(huì )失效。
具體的跨導曲線(xiàn)是由所選的特定器件決定的；溫度系數可以通過(guò)調整柵極驅動(dòng)電壓來(lái)改變，可以使工作點(diǎn)離等溫點(diǎn)更近或更遠。當然，改變柵極驅動(dòng)電壓也會(huì )影響VCE(SAT)和開(kāi)關(guān)速度。
溫度系數越高，導通期間的電流均衡就越好，但同時(shí)也會(huì )增加高功率時(shí)的功率損耗。正溫度系數是安全并聯(lián)運行所必需的。
數據手冊上的跨導（或傳輸特性）曲線(xiàn)，提供了給定柵極驅動(dòng)信號下集電極電流變化的信息。圖 4 顯示了 NGTB15N60S1ETG IGBT 的跨導曲線(xiàn)。
圖 4. 從跨導曲線(xiàn)得出的溫度系數
通過(guò)以圖形方式，確定柵極電壓為 9 V、9.8 V、11 V 和 12 V 時(shí)的電流，可以繪制出圖 5。之所以選擇 9.8 V，是因為它是溫度系數為零的等溫點(diǎn)。
圖 5. NGTB15N60S1ETG 集電極電流溫度系數
阻抗或 VCE(SAT)參數需要正溫度系數。上圖是電流變化曲線(xiàn)，該參數需要一個(gè)負的系數。這里的負溫度系數表明，對于強制設置集電極-發(fā)射極電壓，電流會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而減小，這正是良好的電流均衡所需要的。
從圖 5 中可以看到，當柵極驅動(dòng)電壓高于 9.8 V 時(shí)，電流溫度系數的斜率隨著(zhù)柵極電壓的增加而增加，從而提供更好的電流均衡。
查看溫度系數的另一種方法是繪制固定柵極電壓下集電極-發(fā)射極電壓與溫度的關(guān)系圖。IGBT 數據手冊通常包含在高溫、室溫和低溫極端條件下，各種柵極驅動(dòng)電壓下集電極電流與集電極發(fā)射極電壓的曲線(xiàn)。
圖 6. IGBT NGTB15N60S1ETG 的輸出特性
圖 6 是 NGTB15N60S1ETG IGBT 的其中一條曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)的溫度為 25°C。
利用這三條曲線(xiàn)的數據，可以繪制出不同柵極電壓下VCE(SAT)隨溫度變化的曲線(xiàn)圖（圖 7）。該圖顯示了柵極驅動(dòng)電壓大于 9.8 V 時(shí)的正溫度系數，而且斜率隨著(zhù)柵極電壓的升高而增大。
圖 7. NGTB15N60S1ETG 的 VCE 溫度系數
從這一簡(jiǎn)化分析可以看出，保持柵極驅動(dòng)電壓遠高于等溫點(diǎn)至關(guān)重要。柵極電壓越高，電流分配越均勻。
文章來(lái)源：安森美
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