芯片并联的分析

分布的影响。通过应用统计方法，可以定义更切合实际的降额因子。 叙词：芯片并联 IGBT模块 续流二极管 降额因子 Abstract：The article, after investigation and analysis, introduces the influence of chip parallel towards the parameters of IGBT module, and lays emphasis on the influence of FWD (fly-wheel diode) forward voltage drop toward parallel module current. By applying statistics means, more practical derating factor can be defined. Keyword：Chip parallel, IGBT Module, FWD, Derating factor
1、前言

为了估计并联IGBT模块变化参数所导致的失衡，通常根据元件参数的上下限的组合进行最坏情况分析。这种方法的缺点是它没有考虑到这种最坏情况组合的发生概率。研究续流二极管正向压降对并联模块电流分布的影响，可以对最坏情况进行评估。通过应用统计方法，可以定义更切合实际的降额系数。

为了扩大单一组件的电流能力以满足给定应用的需求而进行的元件并联运行是电力电子领域中的一个基础概念。这一概念由IGBT或MOSFET芯片来实现，在这些芯片中，单MOS栅单元并联在一起，形成一个现代的大功率芯片。在功率模块中也经常见到这种连接方式，芯片被并行连接以达到所需的电流能力。

总部位于纽伦堡的电力电子系统制造商赛米控所生产的常规IGBT功率模块（SKM100 GB123D）的并联使用情况被选为本次调查的载体。在这样的一个并联配置的半桥模块中，IGBT和相应的续流二极管都并联运行。由于IGBT在额定电流下有正温度系数，因此它们普遍被认为非常适合并联。与此相反，二极管则更为重要的，因为它正向压降的温度系数在额定电流下通常是稍稍为负。因此，以下的分析只考虑由续流二极管通态压降变化所导致的电流不平衡。所用IGBT的分析也可由参考文献[1]获得。

2、并联二极管作最坏情况分析

首先，对并联二极管作最坏情况分析。因此，我们假设已知参数的元件并联在一起，参数的值都满足在规格范围之内――在我们的例子中，是指那些有最大或最小正向压降的模块。为了分析由此产生的影响，模块所指定通态值指定都必须转化为一个分析表格。表格中，正向压降被描述成温度和电流的函数，此外还有一个比例因子，用于使正向压降达到最小、典型或最大值。一个简化的线性特征被选为电流/电压特性（见图1）。在并联状态下，当一个模块的正向压降达到规格所指定的最小值（LSL），而与其相连的其他一个或多个模块的正向压降达到规格所指定的最大值（USL）时，最坏的情况发生。

图1 赛米控IGBT模块（SKM100GB123D）中续流二极管正向电压的简化特性
（图中的“点”代表数据表值）

假设模块之间不存在热耦合，并且二极管的结壳热阻在散热器的温度保持在85°C的条件下，等于规格所指定的最大值0.50K/W，正向压降的差异对由此差异所导致芯片温度和电流不平衡的影响是可以计算出来的。为了这样做，为流经每个芯片的电流和低压降及高压降支路的温度设置启动参数（以下简称具有相同特征的模块为“支路”）。然后，正向压降作为温度和电流的函数被计算出来。该值可以用来计算损耗；以此为基础，可以从热模型计算出正确的芯片温度。接下来就是要通过调整流经每条支路的电路，尽量减少假设温度和计算温度之间的差异。注：作为一个约束，各支路之间压降的差值必须为零。

为了LSL和USL支路，计算每个芯片的电流和结温。二极管的额定电流：50A。对于只有一个模块的情况（n=1），选择位于规格上限的模块，因为这是单模块的最坏情况（图2）。

图2 多达20个IGBT模块并联时，二极管的最坏情况：电流和温度的失衡

单模块的芯片电流为50A，因为不会发生电流失衡。对于2单元并联，LSL支路的电流为75A，比单模块高50%。当并联的模块数量增加时，情况进一步恶化。当20个模块并联时，最坏的情况时电流几乎达到额定电流的2.25倍。

在达到规格上限的单模块中，二极管的结温度达132℃。在所描述的最坏情况下，由此所产生的电流分布失衡在两支路中产生危险的结温分布。两模块并联情况下，结温为145℃，而当20个模块并联时，LSL支路的结温升高到190°C。而由于二极管是负温度系数，相当于IGBT，这种作用对二极管来说更加的严重。IGBT正向压降的正温度系数，减少了并联运行时的不平衡，而二极管的负温度系数则增强了这种不平衡的情况。因此，多个续流二极管的并联运行被认为是至关重要的。