PowerPoint プレゼンテーション

Size: px

Start display at page:

Download "PowerPoint プレゼンテーション"

赡友萧
5 years ago
Views:

富士电机第 10 章 IGBT 模块并联应用 1. 稳态时的电流不均衡 10-2 2. 动态时的电流不均衡 10-6 3.

2 I C (A) 富士电机本章中对 IGBT 并联连接时的注意事项进行说明 IGBT 模块作为逆变电路使用时, 会有为了增大通电电流能力而对 IGBT 模块进行并列连接使用的情况这种情况下, 虽然对 IGBT 模块的并联数并没有特别的限制, 随着设备体积的变大, 需要考虑配线变长而导致风险增加 ( 噪音以及浪涌电压的增加 ) IGBT 并列连接的情况的基本注意点分为以下 4 点 (1) 稳态时的电流不均衡抑制 (2) 动态时的电流不均衡抑制 (3) 门极驱动电路 (4) 严格遵守各水套内的水温, 流量, 压力的规格 1. 稳态时的电流不均衡 IGBT 在导通状态下电流不均衡的原因主要有以下 2 种 (1) V CE(sat) 的不均性 (2) 主电路配线电阻的不均性 1.1 V CE(sat) 的不均性造成电流的不均衡因并列连接的 IGBT 的 V CE(sat) 的不均, 造成输出特性的差异由此在导通的稳态状态下会产生电流不均衡如图 10-1 展示了不同的 V CE(sat) 的 IGBT 的输出特性另外, 图 10-1 是模块并联数为 2 时的图示图 10-1 中的 Q 1 和 Q 2 的输出特性可近似成以下公式 V CEQ1 = V 01 + r 1 r 1 = V 1 /( I C2 ) V CEQ2 = V 02 + r 2 I C2 r 2 = V 2 /( I C2 ) 因此,Q 1 +Q 2 的并联连接电路中流过 I ctotal (= +I C2 ) 的集电极电流时 Q 1 和 Q 2 的电压必须一样, 其中流过各 IGBT 的集电极电流可以通过以下公式求出 I C2 Q 1 Q 2 I C2 = (V 02 V 01 + r 2 I Ctotal )/(r 1 +r 2 ) I C2 = (V 01 V 02 + r 1 I Ctotal )/(r 1 +r 2 ) V 1 V 2 V 01 V 02 V CE(sat) (V) Fig V CE(sat) 的组合实例假设上式中 V 01 =V 02, 对 Q 1 来说流过的电流是 Q 2 流过的电流的 r 2 /r 1 倍从图 10-1 可以知道, 当 r 2 >r 1 的时, Q 1 的分担到的电流会变大像这样如果存在 V CE(sat) 的不均,V CE(sat) 低的 IGBT 分担到的电流会变大因此, 为了得到良好的电流分配, 需要将 V CE(sat) 不均性小的元件组合起来另外, 使用同一个产品批次号的 IGBT 模块的组合会使 V CE(sat) 的不均性最小这是为了使由于工艺原因产生的影响最小化因此进行并列连接时, 推荐使用相同产品批次号的模块 Co., Ltd. All rights reserved. 10-2

3 Collector current (A) 富士电机 1.2 因主电路配线的阻抗不均衡导致的电流不均衡发生图 10-2 中展现了 2 并联时的主电路配线电阻部分的等效电路图与集电极侧的电阻部分比较, 发射极侧的电阻部分上的这种影响更大因此, 图 10-2 对集电极侧的电阻部分予以省略后考虑如图 10-2 所示, 发射极侧的主电路配线有电阻时, 由于 IGBT 的输出特性斜率变得等效性平缓, 在相同的 V CE 下与无电阻的情况相比较, 集电极电流减少同时该电阻越大, 输出特性的倾向趋势越平缓, 集电极电流越小图 10-2 中假设 R E1 >R E2, 则 <I C2, 电流不均衡会发生 I C2 Q 1 Q 2 R E1 R E2 V E1 V E2 同时该部分 (R E1 R E2 ) 由于有集电极电流 Fig 主电路配线电阻部分等效电路图流过, 产生电位差, 实际的门极 - 发射极间的电压变小 (V GE =V G - V E ),IGBT 的输出特性产生变化, 集电极电流减少像这样发射极的阻抗的不均会导致 IGBT 上施加的门极 - 发射极间电压变小以及电流不均衡等情况的发生因此, 为了降低这种的影响, 发射极侧的配线要尽可能的短, 并且分别均等化 1.3 输出特性的结温特性和电流不均衡输出特性的温度特性会随着其变化对电流不均衡有很大的影响这里把 V CE(sat) 随着结温的上升而变高定义为正温度特性, 反之变低则定义为负温度特性图 10-3 中表示正负温度特性的 100A 产品的输出特性输出特性的温度特性是正的情况下, 结温如果上升相同 V CE 下集电极电流会减小正如本章节 1.1 所说的并列连接时 V CE(sat) 小的 IGBT 会分担到更大的电流因此, 稳态损耗是 V CE(sat) 小的较大, 结温也比另一方上升更多由此正温度特性的 IGBT 会因为温度的上升导致与另一方 V CE(sat) 大的 IGBT 取得平衡负温度特性的 IGBT 的电流不均衡性则会向相反的方向变化, 因此并联运行时对电流分担必 Collector current (A) Negative Positive 20 Tj=25 o vj =25 C 0 Tj=125 o vj =125 C Collector to Emitter voltage (V) (V) Fig 输出特性比较须做好充分的设计像这样输出特性是正温度特性的 IGBT 相比负温度特性更加适合并联运行, 因此推荐并列连接时选用温度特性是正的 IGBT 关于输出特性的温度关系的详情, 请参考 IGBT 模块的规格书 Co., Ltd. All rights reserved. 10-3

4 Current imbalance rate α at T vj =125 (%) 富士电机 1.4 V CE(sat) 的差异和电流的不均率 IGBT 的并联时产生电流分配的比例称之为电流不均率, 这是由 IGBT 自身的 V CE(sat) 的差异以及输出特性的结温关系来决定的图 10-4 展示了典型的 V CE(sat) 的差异和电流不均率的关系, 以及相同 IGBT 系列在 2 并联中的电流不均率从图 10-4 可以看出,V CE(sat) 的差异越大, 电流不均率也越大, 因此并联 10 使用时, 需要将 V CE(sat) 差异小的元件组合起来使用 5 α = I C( ave ) ΔV CE(sat) at T vj =25 (V) Fig V CE(sat) 的差异和电流不均率 * 图 10-4 是某一 IGBT 系列的范例实际计算并列连接的最大电流 (ΣI) 时, 请参考各 IGBT 系列的技术资料 1.5 多个 IGBT 并列连接时的降额使用 IGBT 元件并联时需要考虑到电流不均率, 需要降低并联连接时的通电能力总和当 n 个的元件进行并联时, 假设电流集中流过一个 V CE(sat) 最小模块时的情况为最坏工作情况即 : 一个模块的 V CE(sat) 是最小值剩余模块的 V CE(sat) 都是最大值那么 : I = I C(max) 1 + (n 1) 1 α α 100 α = I C( ave ) 上式中电流不均率 α 是根据图 10-1 中 2 并联时电流值和平均电流值 I C(ave) =( +I C2 )/2 中求出的另外 I C(max) 是一个元件的额定电流, ΣI 表示并联时的最大电流可是在 ΣI 情况下并联的每个元件必须满足规格书中记载的 RBSOA, 发生损耗而上升的结温必须要在 T vj(max) 以下特别需要注意的是发生损耗而导致结温的上升根据使用条件 ( 开关频率, 驱动条件, 散热条件, 缓冲条件等 ) 的不同而有差异例如,α=15% I C(max) =200A n=4 时, 可以计算出 ΣI =643.4, 降额率 19.6% 设计时, 并联连接的全电流不要超过该 ΣI 请注意即使 n=4, 也不是单纯的 ΣI=200 4=800A 像这样并联时对于的全电流 ΣI 为电流总和 (n I C(max) ) 时需要进行降额 Co., Ltd. All rights reserved. 10-4

5 Derating rate (%) 富士电机图 10-5 时 IGBT 的电流不均率 α=15% 时的降额率, 从该图可以知道, 随着并联数的增加, 降额率也会增大因此, 进行并列连接时对于其并联数需进行其相对应的降额另外请注意, 降额率会因电流不均率而产生差异本例展现的降额率为上述的电流不均率求出的参考值, 请根据实际运行来验证电流不均率后再决定降额率如果有因故障或者保养需要进行替换并联 IGBT 模块的情况, 建议将所有的并联模块全部进行替换替换时, 如之前所述建议使用相同产品序列号的模块进行并联 Parallel number (pcs.) Fig 并联连接数以及降额率关系 Co., Ltd. All rights reserved. 10-5

6 富士电机 2. 动态时的电流不均衡动态时产生电流不均衡的原因, 主要分为以下 2 个 (1) 元件特性的差异 (2) 主电路配线电感的差异 2.1 元件特性的差异 IGBT 在开关动作时, 特别是关断之前的电流不均衡基本由导通状态的电流不均衡来决定由此如之前所述, 通过抑制导通状态时的电流不均衡, 同时也能抑制动态时的电流不均衡 2.2 主电路配线电感的差异如有主电路配线的电感存在不均衡的情况, 会产生并列连接的原件动态时的电流分配不均衡图 10-6 展示了考虑主电路连线电感的等价电路流过 IGBT 1 和 IGBT 2 的导通电流为 I C2 时, 这些电流分配会被各个 IGBT 的配线电感 L C1 +L E1 和 L C2 +L E2 的差所影响, 基本上以电感比来确定因此, 为了缓和动态时的电流不均衡, 确保连线构造的对称性时非常重要的然而, 即使实现了 L C1 +L E1 =L C2 +L E2 这样理想的配线电感, 如果 L E1 和 L E2 的配线电感不均衡, 开通时电流变化率 (di/dt) 导致的感应电压差, 使外加到并联的各个 IGBT 的门极电压收到 I C2 L C1 L C2 GDU IGBT 1 IGBT 2 R G R G Extra emitter line L E1 L E2 该电压差的影响, 加剧电流不均衡因此, 并联时应尽可能按照 L C1 =L C2 L E1 =L E2 的标准进行连线, 确保结构对称另外, 主电路配线的电感大会使 IGBT 关断时 Fig 考虑主电路配线电感的并联等价电路的尖峰电压变大, 配线电感要尽可能的减小因此并联的 IGBT 模块的安置要尽可能的紧靠, 配线也要尽可能的均等 IGBT 模块如果有辅助发射极的情况, 为了减小发射极侧主电路电感的影响, 推荐使用辅助发射极来进行门极驱动 Co., Ltd. All rights reserved. 10-6

7 富士电机 3. 门极驱动电路各 IGBT 使用不同的门极驱动电路 (GDU) 驱动时, 各电路的延迟时间的差异而导致开关动作的时间存在着差异因此,IGBT 模块并联使用时, 推荐使用一个 IGBT 的门极驱动电路 (GDU) 进行驱动这样的构造可以降低因门极驱动电路导致的开关差异, 减少 IGBT 并联动作时的不良影响, 但是使用同一驱动电路来驱动并联模块时存在着因驱动能力不足而导致的开关速度降低, 以及门极控制失效等等情况发生, 因此门极驱动电路请根据并联数选择合适的驱 Fig 门驱动电路连接动功率另外, 用 1 个门极驱动电路来驱动时, 其配线电感与 IGBT 的输入能力可能会使门极电压在上升时产生寄生振荡的情况, 因此 IGBT 的门极电阻要分别连接在各 IGBT 门极上 ( 参考图 10-7) 还有, 为了抑制这种振荡, 可以在发射极上增加电阻, 但是因这个电阻而产生的电压下降可能会引起元件的误动作, 所以请在充分验证后再使用门极驱动电路的发射极配线不是在相同位置连接时, 会存在图 10-6 所示 L E1 和 L E2 不均衡的情况发生, 并联元件的过渡电流不均衡发生, 通常,IGBT 模块会配有门极驱动电路用的辅助发射极端子, 元件内部的驱动配线是均等的因此使用该端子进行门极驱动的话, 可以抑制元件内部的过渡电流不均衡如果 IGBT 模块配有辅助发射极端子时, 推荐使用该端子进行门极驱动 IGBT 1 IGBT 2 然而使用辅助发射极端子进行门极驱动时, 门极驱动电路至各模块的发射极配线过长或者不均等, 也会引起电流不均衡因此并联各模块的门极驱动电路的配线应尽可能的短以及均等化保证门极配线双绞成一体, 尽可能远离主电路配线, 避免和主电路配线平行而引起的互感效应 ( 特别是集电极电流 ) R G GDU R G Extra emitter line Co., Ltd. All rights reserved. 10-7

8 富士电机 4. 并列连接时的配线例如之前所提到的,IGBT 模块的并联需要做好充分的注意图 10-8 展示了大容量 2in1 元件构成的并联等效电路图从图 10-8 可以看到, 并联的 IGBT (IGBT 1 和 IGBT 2 ) 的各种连线都是对称的像这样的连线, 可以实现很好的电流分配 IGBT 1 L C1 R C1 R C2 L C2 IGBT 2 Inductive Load V CC C + - L L1 R L1 R L2 L L2 L E1 R E1 R E2 L E2 I C2 GDU (Make the wiring R C1 =R C2, R L1 =R L2, R E1 =R E2, L C1 =L C2, L L1 =L L2, L E1 =L E2 ) Fig in1 元件构成并联时的等效电路 5. 散热器本 IGBT 模块是附带水套的散热器一体化模块因此,IGBT 模块并联使用时, 需要严格遵守各个水套内的水温, 流量, 压力的规格, 确认各 IGBT 模块的结温没有问题后再进行使用 Co., Ltd. All rights reserved. 10-8

额定规格 / 性能单相标准认证 UL CSA. NO. EN-- 额定规格输入环境温度项目电压电平额定电压使用电压范围输入电流型号动作电压复位电压 - B ma 以下 DC~V DC.~V DC.V 以下 DC.V 以上 - BL ma 以下输出项目 * 根据环境温度的不同而不同详情请

额定规格 / 性能单相标准认证 UL CSA. NO. EN-- 额定规格输入环境温度项目电压电平额定电压使用电压范围输入电流型号动作电压复位电压 - B ma 以下 DC~V DC.~V DC.V 以下 DC.V 以上 - BL ma 以下输出项目 * 根据环境温度的不同而不同详情请加热器用固态继电器单相 CSM_-Single-phase_DS_C 带纤细型散热器的一体式小型 SSR 备有无过零触发型号, 用途广泛符合 RoHS 标准包含无过零触发型号, 产品线齐全输出回路的抗浪涌电压性能进一步提高根据本公司的试验条件小型纤细形状除了 DIN 导轨安装, 还可进行螺钉安装获取 UL CSA EN 标准 TÜV 认证请参见共通注意事项种类关于标准认证机型的最新信息,