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IGBT器件级和DBC基板级并联均流技术

作者:海飞乐技术 时间:2018-10-15 17:36

  IGBT器件并联连接主要是由于器件自身参数和散热不均匀造成的电流不均衡,过高的电流会导致IGBT的损坏。造成IGBT器件并联失衡的原因有很多,其中最主要的是器件自身参数不同,外围电路不一致和温度因素。IGBT器件由于个体差异性,阀值电压会有一定程度的不同,通态压降不同等都会导致电流不均衡;驱动信号的延迟,由于温度引起的通态压降变化等也会引起器件并联电流不均衡。
 
  1. IGBT器件级均流
  (1)降额法
  通过降额法计算IGBT器件并联时工作的总安全电流,使IGBT器件工作在允许承受的电流范围内。
  (2)阻抗平衡法
  在每个并联支路串联一定阻值的电阻,电流可平均分配到各个支路中,电路原理如图1所示。该电路的优点是结构简单,成本低,但会带来较大的功率损耗,降低系统的整体效率。

阻抗平衡法均流电路原理图 
图1 阻抗平衡法均流电路原理图
 
  (3)驱动信号延迟调整
  驱动信号存在延迟,IGBT导通的时间存在差异,会导致并联电流不均衡。图2所示为驱动信号延迟调整电路原理图。补偿栅极电阻值也可以用来改变IGBT的导通延迟时间,使驱动信号实现同步。把变比1:1的脉冲变压器串联连接到驱动电路与栅极之间,通过变压器磁親合的方式来调整驱动信号,改善其动态不均流。
驱动信号延迟调整电路图 
图2 驱动信号延迟调整电路图
 
(4)主动口级控制法
  通过控制驱动信号延时和栅极电压实现。动态均流控制时,检测流过每个并联IGBT的电流,求平均值,通过动态均流控制器将支路电流与平均电流值的差异转换成时间差,在下个开关周期予补偿。静态均流控制时,通过静态均流控制器转换成栅极电压差值,在下个开关周期予以补偿。
 
  综上所述,在设计IGBT并联均流电路时应当特别注意以下几点:选择自身参数一致性高的IGBT器件;减小电路中布线的引线电感,电路结构上对称分布;调整驱动信号延迟,实现同步驱动。
 
  2. DBC基板级均流
  设计的IGBT串并联均压均流电路均是基于IGBT封装模块设计的,下面分析DBC陶瓷基板级IGBT并联均流。
 
  图3所示为IGBT芯片在DBC陶瓷基板上的布局及互连模型,将其等效成图4所示的电阻网络模型。其中,Rc为IGBT通态阻抗,RP为布局路径电阻。由图4可以看出,每条路径上的电阻值不同,贝时目应流过路径的电流值不同,则并联电流不均衡。
DBC基板布局模型 
图3 DBC基板布局模型
等效电阻网络模型 
图4 等效电阻网络模型
栅极-发射极布局 
图5 栅极-发射极布局
栅极-发射极等效电路 
图6 栅极-发射极等效电路
 
  图5栅极-发射极DBC陶瓷基板布局可以等效为图6所示的等效电路图。其中,Z1、Z3和Z6为键合线电阻,Z2、Z4和Z5为DBC基板布局电阻。根据图6等效电路可得出有效栅极驱动电压:
计算公式 
  由以上王个等式可以得出,并联的IGBT所需驱动电压不同,则在IGBT开通瞬间电流上升率不同,引起电流不均衡。可以通过增加DBC基板上层铜箔厚度和减小芯片间互连铜箔长度来减小电阻,达到电阻均衡目的。
基于铜柱的铜箔粘接技术 
图7 基于铜柱的铜箔粘接技术
 
  图7所示为基于铜柱的铜箔粘接技术图,采取铜箔粘接技术,改变DBC基板上层铜箔的布局,可以有效地减小键合线电阻。




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