Сложности с разделением тока

Для улучшения способности пропускать ток силовыми электронными ключами, IGBT и MOSFET могут быть подключены параллельно.

При параллельном включении силовых модулей, транзисторы и необходимые обратные диоды также параллельны. Так как параллельное включение быстрых диодов уже изложено в п. 1.3.5.2, далее будут рассматриваться только специальные характеристики IGBT/MOSFET.

Максимальное использование ключа в параллельном соединении может быть получено в случае идеальной статической (напр. в открытом состоянии) и динамической (напр. в момент коммутации) симметрии одиночных ключей (разделение тока). Поэтому, оптимальные условия симметрии играют главную роль для параллельного соединения на практике.

На разделение тока в основном влияют следующие факторы:

Фактор	Влияет на
	Статическую симметрию	Динамическую симметрию
IGBT/MOSFET параметры
vCEsat = f(iC, vGE, Tj) или RDSon = f(vGS, Tj)	x
iC = f(vGE, Tj) или iD = f(vGS, Tj)		x
vGE(th) или vGS(th)		x
td(on), td(off), tr, tf (вместе с параметрами драйвера)		x
Цепь коммутации
Общая индуктивность (внутри модуля + снаружи модуля)	(x)	x
Цепь драйвера
Выходной импеданс драйвера (включая последовательные сопротивления затвора)		x
Общая индуктивность (внутри модуля + снаружи модуля)		x
Индуктивность цепи драйвера, через которую проходит ток коллектора/стока		x

Влияние напряжения насыщения и R_DS(on) соответственно

Падение напряжения в открытом состоянии одинаково для обоих параллельных транзисторов. Распределение тока зависит от отклонений выходных характеристик. На рис.3.67 показано, как распределен ток нагрузки между двумя параллельными IGBT с разными выходными характеристиками.

Рис. 3.67

В начале, основная часть тока проводиться транзистором с меньшей характеристикой насыщения, у которого поэтому большие потери при коммутации и в открытом состоянии, и, следовательно, быстрее будет расти температура перехода. Поэтому, температурных коэффициент (ТС) напряжения насыщения играет решающее значение. Если ТС положительный, т.е. если напряжение насыщения растет вместе с температурой, ток будет сдвинут к транзистору, который пропускал меньший ток в начале. В результате ток будет (идеально) ровно распределен между двумя транзисторами. Поэтому силовые полупроводники с положительным ТС предпочтительней для параллельного включения.

ТС NPT IGBT положителен почти во всем диапазоне номинальных токов. Это относится и к RDSon MOSFET, которые имеют положительный ТС по принципу действия. В отличие от них, ТС PT IGBT отрицателен почти во всем диапазоне номинальных токов. Здесь немаловажна хорошая температурная связь между двумя модулями.

Влияние переходной характеристики i_C = f(v_GE, T_j) и i_D = f(v_GS, T_j) соответственно

Отклонения переходных характеристик, пороговых напряжений и времени задержки переключения приведут к динамической асимметрии в момент коммутации и, следовательно, к разным коммутационным потерям, особенно при выключении. На рис.3.68 показан пример отклонения переходных характеристик параллельных NPT IGBT и вызванная этим динамическая асимметрия тока при выключении.

Благодаря общему напряжению затвора в течение процесса Миллера, IGBT с более крутой переходной характеристикой будет проводить основную долю тока при динамическом распределении тока и, следовательно, рассеивать большую мощность при выключении.

Пока положителен ТС в открытом состоянии, IGBT можно включать параллельно, резкая переходная характеристика и высокая скорость переключения будут негативно влиять на динамическую симметрию.

Рис. 3.68. а) переходная характеристика двух параллельных NPT IGBT
b) динамическое распределение тока при коммутации

Кроме того, по рис.3.68 видно, что в дополнение к переходным характеристикам, различные потери при включении в IGBT/MOSFET в основном определяются параметрами выключения обратных диодов.

Влияние общей индуктивности в цепи коммутации

Следуя пояснениям в п. 3.4.1, рассеиваемые мощности включения и выключения в силовых полупроводниках определяются индуктивностью LK в цепи коммутации (эффект уменьшения потерь при включении, возникновение коммутационных перенапряжений при выключении).

Параллельное соединение ключей всегда эквивалентно параллельному соединению коммутационных схем. Если эти схемы имеют разные индуктивности, скорость коммутации быстрых силовых полупроводников может отличаться, что может быть причиной динамической асимметрии. Следовательно, должна выполняться строгая симметричная схема цепи коммутации.

Влияние выходного импеданса драйвера (включая последовательные сопротивления затвора)

Различие импедансов цепей драйверов параллельных транзисторов должно быть минимизировано. Существующие отклонения приведут к неодновременной коммутации, и будут вносить несоответствие в распределении коммутационных потерь.

Влияние общей индуктивности цепи драйвера

Вместе с входными емкостями транзисторов, индуктивность драйвера может вызвать генерацию, которая может равномерно распределяться между параллельными транзисторами (см.п. 3.7.1.2 и 3.4.1). Во избежание этого любые индуктивности в цепи драйвера должны быть минимальными.

Влияние индуктивности цепи драйвера, через которую проходит ток коллектора/стока

Быстрые изменения тока коллектора/стока при коммутации индуцируют напряжение на индуктивности в цепи драйвера, где протекает основной ток; эти напряжения противодействуют заряду затвора или его разряду, соответственно (отрицательная обратная связь эмиттер/исток). В результате замедления процесса коммутации возрастут потери.

Что касается параллельного включения транзисторов, разные значения этих индуктивностей могут способствовать асимметричному распределению потерь при коммутации.

<-- Предыдущая страница

Оглавление

Следующая страница -->