大功率整流模块中的开关管并联工作分析

发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:914

隋鲁波，呼志杰，王学礼

（烟台东方电子玉麟电气有限公司, 山东烟台， 264001）

摘要：分析了大功率整流模块中并联开关管的静态和动态工作特性，指出并讨论了设计中需要解决的一些问题。给出了容量为230v/25a、开关频率为70khz的电力充电模块中并联的igbt的电流波形。

关键词：开关管并联；大功率；整流模块

中图分类号：tn86；tm461.5 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2005)01-0069-03

1 引言

整流模块小型化的途径之一是采用软开关技术，提高开关管开关频率。大功率整流模块工作频率的提高主要受限于功率开关管。大容量igbt模块的硬开关频率通常在20～30khz，在同等条件的软开关工作状态下其开关频率仅能提高至40khz。虽然应用功率模块可以减少电路中的寄生感容，电路简单，但带来热点集中。应用分立器件并联，总的导通损耗小于功率模块，且热点均匀分布，成本比应用功率模块要低得多。驱动电路、pcb设计、并联功率管间的热耦合对并联功率管的工作状态影响很大 [1~3]。230v/25a电力整流模块采用文献[4]提出的移相全桥零电压零电流技术，超前臂采用4只 mosfet并联，滞后臂采用3只igbt并联。以此为基础，对igbt和mosfet并联的一些问题作了分析，提出了解决办法。

2 静态工作特性

在变换器的零状态，所有并联开关管处于关断状态，仅有的差别是漏电流不同，对并联开关管的并联工作特性没有影响。并联开关管在开通状态下的均流状态取决于以下几个方面：

● 并联mosfet 的通态电阻rds(on)不同；

● 并联igbt的导通压降vce(on)不同；

● 并联mosfet或igbt结环境热阻ｒthc-a 不同，功率管之间热耦合不紧密。

mosfet通态电阻的正温度系数特性显著，因此在静态开通状态下更易于并联。

对于igbt，从图1的ic -vce(on)曲线可以看到，电流小于25a时，igbt的导通压降vce(on)表现为负温度系数，大于25a时，vce(on)表现为正温度系数。igbt可以并联的机理有二：一是随电流ic的增大和结温的升高，温度系数向“正”方向变化；二是导通特性好一些的igbt个体，其vce(on) 的负温度系数绝对值小于通态特性差一些的igbt个体 [2]。

基于以上两个原因，通过建立igbt个体间紧密的热耦合，使得igbt的可靠并联成为可能。igbt并联工作时，其导通压降 vce(on)被迫一致，该个体导通功耗大，结温快速增长。紧密热耦合条件下，该高结温个体升高了所有并联的igbt结温。分担较多电流的igbt个体的 vce (on)温度系数随结温升高向“正”方向变化，同时，分担较小电流的igbt个体的vce(on)随结温升高下降得快。在紧密热耦合条件下，随结温的升高，最终所有并联igbt分担的电流趋于一致。

紧密的热耦合是导通压降呈负温度系数器件并联工作的首要条件。建立器件间紧密热耦合的目标是使器件结温差别最小。这里采用的措施包括：所有并联igbt安装于同一散热器，尽量选用热阻小的导热绝缘材料，使igbt结间的热阻最小化，使 igbt结至环境间的热阻相同，使并联的igbt分布于散热器的相近热梯度内。

mosfet和igbt用作开关器件时，都是以足够高的过饱和电压驱动。器件之间的跨导差异对电流均分不会有太大影响。但仍有必要使各并联功率管的驱动电压保持一致。

3 动态工作特性

并联的igbt或mosfet开关瞬态只是整个工作周期的很小一部分，但在开关瞬态并联个体之间分流不均会增大个体之间结温的差别，并联开关管在开通状态下的均流状态取决于以下几个方面：

①并联的开关管之间参数的差异，包括开通阈值vth、输入电容cgd和cgs、开通延迟td（on）和关断延迟td（off）、上升时间tr和下降时间tf ；

②驱动电压源的低内阻和驱动的差异，包括驱动电压、驱动信号的同步性、驱动信号线pcb设计不对称；

③功率回路pcb设计不对称；

④功率管之间热耦合不紧密。

mosfet或igbt的开通阈值vth在2～4v或3～6v之间，具有很强的负温度系数。查阅各大公司 to-247封装功率管的参数，可以看到关断延迟t d（off）和下降时间tf存在个体差异的同时，也呈现明显的负温度系数。igbt的拖尾电流受结温影响尤其严重，拖尾电流的幅值与拖尾时间均呈正温度特性，如图2所示[3]。为保证功率管之间动态均流的效果，紧密的热耦合是必要的。