【導(dǎo)讀】大功率系統(tǒng)需要并聯(lián) IGBT來(lái)處理高達(dá)數(shù)十千瓦甚至數(shù)百千瓦的負(fù)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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要了解這些，才能設(shè)計(jì)出可靠的系統(tǒng)。
大功率系統(tǒng)需要并聯(lián) IGBT來(lái)處理高達(dá)數(shù)十千瓦甚至數(shù)百千瓦的負(fù)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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要了解這些，才能設(shè)計(jì)出可靠的系統(tǒng)。
并聯(lián) IGBT 的應(yīng)用中，首先要考慮均衡損耗。如果損耗不能均勻分擔(dān)，器件之間的熱差異將導(dǎo)致一些問(wèn)題，可能使晶體管出現(xiàn)故障。不平衡來(lái)自兩個(gè)方面。IGBT 內(nèi)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)。
從 IGBT 的靜態(tài)角度來(lái)看，有兩個(gè)參數(shù)非常重要。它們是第一象限工作期間 VCE（SAT）的變化和跨導(dǎo)的變化（見(jiàn)圖 2 和圖 3）。
VCE(SAT)是一個(gè)重要參數(shù)，控制著 IGBT 的導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通損耗對(duì)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(jié)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(dǎo)也因器件而異。該參數(shù)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(shù)，數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常會(huì)顯示一條典型曲線。從圖 1 中可以看出，它會(huì)隨溫度變化而變化?？鐚?dǎo)的變化等同于 VCE（SAT）的變化。
圖 1. 典型 IGBT 傳輸特性 VGE = 20 V
IGBT 的 VCE(SAT)是計(jì)算靜態(tài)變化時(shí)的主要參數(shù)，直接關(guān)系到晶體管的導(dǎo)通損耗?？鐚?dǎo)通常只指定為典型值，因此不因器件不同而變化。VCE(SAT)通常是一定溫度范圍內(nèi)的數(shù)值，也因器件不同而不同。大多數(shù)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(yīng)用的 IGBT 的最小值和最大值。雖然最小 VCE(SAT)值對(duì)單個(gè)器件來(lái)說(shuō)并不重要，但在并聯(lián)應(yīng)用時(shí)卻非常有用，可以通過(guò)具體的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)詳細(xì)分析這種損耗。
需要注意的是，雖然尚未討論溫度系數(shù)，由于非穿通型 IGBT 具有正溫度系數(shù)，當(dāng)由于飽和電壓較低的 IGBT 發(fā)熱而出現(xiàn)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(shù)硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，二極管是傳導(dǎo)第三象限電流所必需的。
圖 2. IGBT 的第一象限導(dǎo)通
圖 3. 二極管的第三象限導(dǎo)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(dú)封裝。如果 IGBT 是共封裝器件，數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)給出二極管的正向特性。有關(guān)變化的數(shù)據(jù)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。
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(fù)損耗。柵極驅(qū)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(qū)動(dòng)阻抗都是系統(tǒng)參數(shù)，可以通過(guò)改變這些參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)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(qū)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(yīng)用中確保所有器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(yīng)盡可能對(duì)稱，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(cè)變壓器，應(yīng)將其連接在集電極路徑上。使用電流檢測(cè)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(duì)稱位置。
動(dòng)態(tài)損耗的變化來(lái)自多個(gè)參數(shù)。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(dǎo)方面的差異也會(huì)導(dǎo)致上升和下降時(shí)間的不同。這也可以被認(rèn)為是 Vth 的差異，柵極電壓位于跨導(dǎo)曲線的一個(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(dǎo)致柵極信號(hào)的不平衡。
熱系數(shù)是并聯(lián) IGBT 時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。它必須是一個(gè)正系數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)電流均衡。這就是圖 1 中等溫點(diǎn)上方的區(qū)域。較高的正熱系數(shù)可實(shí)現(xiàn)更均衡的電流，但也會(huì)增加大電流時(shí)的損耗，因?yàn)?VCE(SAT)會(huì)隨溫度升高而增加。
負(fù)的熱系數(shù)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(dǎo)電性會(huì)增強(qiáng)，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(xiàn)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(dǎo)曲線是由所選的特定器件決定的；溫度系數(shù)可以通過(guò)調(diào)整柵極驅(qū)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(yuǎn)。當(dāng)然，改變柵極驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)影響VCE(SAT)和開(kāi)關(guān)速度。
溫度系數(shù)越高，導(dǎo)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(shù)是安全并聯(lián)運(yùn)行所必需的。 數(shù)據(jù)手冊(cè)上的跨導(dǎo)（或傳輸特性）曲線，提供了給定柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)下集電極電流變化的信息。圖 4 顯示了 NGTB15N60S1ETG IGBT 的跨導(dǎo)曲線。
圖 4. 從跨導(dǎo)曲線得出的溫度系數(shù)
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?yàn)樗菧囟认禂?shù)為零的等溫點(diǎn)。
圖 5. NGTB15N60S1ETG 集電極電流溫度系數(shù)
阻抗或 VCE(SAT)參數(shù)需要正溫度系數(shù)。上圖是電流變化曲線，該參數(shù)需要一個(gè)負(fù)的系數(shù)。這里的負(fù)溫度系數(shù)表明，對(duì)于強(qiáng)制設(shè)置集電極-發(fā)射極電壓，電流會(huì)隨著溫度的升高而減小，這正是良好的電流均衡所需要的。 從圖 5 中可以看到，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓高于 9.8 V 時(shí)，電流溫度系數(shù)的斜率隨著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(shù)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(shù)據(jù)手冊(cè)通常包含在高溫、室溫和低溫極端條件下，各種柵極驅(qū)動(dòng)電壓下集電極電流與集電極發(fā)射極電壓的曲線。
圖 6. IGBT NGTB15N60S1ETG 的輸出特性
圖 6 是 NGTB15N60S1ETG IGBT 的其中一條曲線。該曲線的溫度為 25°C。 利用這三條曲線的數(shù)據(jù)，可以繪制出不同柵極電壓下VCE(SAT)隨溫度變化的曲線圖（圖 7）。該圖顯示了柵極驅(qū)動(dòng)電壓大于 9.8 V 時(shí)的正溫度系數(shù)，而且斜率隨著柵極電壓的升高而增大。
圖 7. NGTB15N60S1ETG 的 VCE 溫度系數(shù)
從這一簡(jiǎn)化分析可以看出，保持柵極驅(qū)動(dòng)電壓遠(yuǎn)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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