在电源模块中并联使用IGBT和二极管可以提升功率输出能力

产品营销负责人

Vincotech有限公司

随着对具有更高功率的电机驱动器需求的不断增长，能够提供更大电流的电源模块的需求也日益攀升。为了满足这一要求，传统做法是使用专用的大电流电源模块。本文介绍了另外一种方法，即在电源模块中并联使用IGBT和二极管来扩展其功率等级，例如，将一个35A的“SixPACK”模块用作100A的半桥。

结论是，由于使用多个小芯片与使用更少数量的大芯片相比具有更佳的热性能，这种方法可以提供更大的优势。在考虑电源模块中实际发生的参数变化数据而不是数据手册上的值后，我们可以看到性能有所突破，这意味着要比实际应用中看到的分得更开。

图1显示了如何将一个SixPACK用作半桥。

图1：SixPACK用作半桥。

以下计算依据的是Vincotech公司提供的P700-F SixPACK模块，这种模块使用了英飞凌IGBT3低损耗IGBT和Emcon HE的FRED。这两种元件在高结点温度时的压降都具有正温度系数。这对多个元件并联使用时避免单个元件发生热失控很重要。

开关性能

在并联使用IBGT时，需要特别注意驱动电路。由于不同芯片的栅极阈值电压是有变化的，因此简单地连接栅极远远不够。

相反，每个栅极必须用自己的栅极电阻及自己的电流源驱动，从而确保具有最低阈值电压的芯片不会钳位其它芯片的电压和承载全部电流。

另外，发射极电路的版图必须非常对称，以便最大限度地减小发射极电感和电阻的差异。发射极电感和电阻即使存在很小且不可避免的差异也将在栅极驱动器发射极连接之间产生补偿电流。

为了限制这些电流，强烈推荐在驱动电路中引入发射极电阻，阻值在至少0.5Ω范围内，但不要超过总栅极电阻的约1/3。为了确保实际的发射极驱动检测功能，模块需要向发射极检测连接提供单独的绑定线。

此外，需要避免在驱动电路的延时、上升和下降时间方面出现任何失配，因为这些失配也会导致开关电流的失配，进而引起不同器件的开关损耗的失配。推荐不同的IGBT使用具有单独栅极和发射极电阻的独立栅极驱动电路，如图2所示。如果要求更大的驱动电流，使用具有单独推拉驱动器的独立驱动电路也是个好主意。

图2：带驱动电路的SixPACK低侧电路。

由于开关损耗及其失配情况取决于版图，因此在实际应用中对它们进行测量和确认不失为一个好的方法。如果遵循上述建议，那么完全可以认为不同器件的开关损耗匹配能在10%至15%之内。

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导通状态的性能

导通状态的性能更加重要。从P700 SixPACK的数据手册可以看出，IGBT集电极-发射极和二极管正向电压存在较大的变化。对IGBT来说，25℃时的集电极-发射极饱和电压典型值为1.7V，最大值为2.25V。手册中没有给出最小值。

鉴于这个信息，我们不推荐芯片的并联，因为各IGBT之间的电流分担不能得到保证。这种情形对二极管来说更加糟糕。

然而在实际应用中，一个电源模块中的器件实际分散度要低得多。这是因为选取它们的位置在同一晶圆上实际彼此紧邻或非常靠近这个事实，因此具有特别相似的电气特性。

为了确定真实的电压变化，Vincotech从多批生产且分销时间在一年以上的4万多个模块中收集了大量数据。这次评估表明，99.99%的高侧或低侧IGBT的饱和电压变化在25℃和125℃时分别不超过310mV和450mV。

对FRED而言，25℃和125℃时的这个值分别是400mV和490mV。在被测系列元件中的饱和电压差范围分布情况详见图3(针对IGBT)和图4(针对二极管)。表1显示了不同压差范围的概率。

图3：IGBT饱和电压差范围。

图4：FRED正向电压差范围。

表1：不同概率时的压差范围。

在考虑电流分配时，除了IGBT和FRED的低侧或高侧电压变化外，重要的是要知道第三个器件将具有什么值。

同样，我们不能使用基于数据手册电压差的最差情况数据，但可以使用从4万个模块收集到的真实数据。根据这个信息可以单独计算每个模块的电流分配。具有最低压降的器件用于确定其它两个器件的电压。

这样做可以确保最好的器件工作在为它设计的最大电流水平，而其它器件运行在它们设计极限范围内的较低电流值。其它器件的电流可以使用IGBT饱和电压的动态电压斜率或二极管正向电流的电压斜率进行计算。

模块的总电流可以用下列公式计算：

公式1

模块的电流降额可以用下列公式计算：

公式2

图5和图6显示了模块的IGBT和FRED并联部分的降额分布情况。表2显示了电流降额的概率。

图5：IGBT电流降额分布情况。

图6：FRED电流降额分布情况。

表2：不同概率时的电流降额情况。

对于IGBT使用13%降额和二极管使用25%降额的设计来说，只有万分之一的器件会超过目标设计极限，其它所有器件都工作在低于最初设计的目标电流。基于这个事实，这个万分之一的器件的寿命可能要低于期望值。

另一方面，上述分布曲线表明，对IGBT来说，90%的模块将分担2%以内的电流，99%的模块将分担6%以内的电流。对FRED来说，90%的器件会分担5%的电流，99%的器件会分担9%的电流。

当设计分别使用13%和25%降额时，大多数模块将具有更好的电流分担功能，因此工作温度要低于期望值。这不仅补偿了少数器件的较短寿命，而且提高了设计的整体寿命和可靠性。

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热性能

使用多个较小的芯片代替一个更大的芯片有助于改善由器件的热阻抗所描述的热性能。这是因为不仅芯片本身、而且芯片周围的特定区域都会参与热量从芯片到散热器的传送。图7显示了使用两个小芯片代替一个大芯片时的散热改善情况，两种情况下的总面积是相等的。

图7：改善了的散热设计。

这种改善从比较P569-F模块中的100A IGBT热阻与P700-F模块中的35A IGBT热阻也可以看得出来。100A器件数据手册中给出的结点到散热器热阻是0.57K/W。单个35A IGBT的热阻是1.29K/W，因此当并联使用三个器件时的总热阻是0.43K/W。这样热性能就有约25%的改善，从而有助于补偿由于非理想的电流分担而要求的一些(如果不是全部)降额设计。

实例：使用35A SixPACK电源模块

作为例子，我们把用作半桥的35A六组合模块性能与100A单颗芯片半桥模块性能进行了比较。用于评估的条件和参数如下所示：

器件: P700: SixPACK 35A/1,200V; P569: 半桥 100A/1,200V

电机频率：50Hz

功率因数：0.8

PWM频率: 4kHz

散热器温度: 80°C

Tj最大值: 125°C

在第一步中，使用Vincotech的flowSIM仿真器为P700和P569确定单个IGBT和FRED器件的相位-电流能力。这种仿真器已经考虑了较小芯片带来的热性能改善，因此后面不需要再专门考虑。图8显示了对P700-F模块中的35A IGBT进行仿真的flowSIM结果。

图8：flowSIM P700 IGBT相位电流判断。

下一步是应用电流降额，再针对3个并联器件将结果乘以3。表3显示了两种解决方案中应用IGBT和FRED的结果。

表3：单芯片P569-F和多芯片P700-F解决方案的比较。

结果表明，使用P700-F 35A SixPACK代替P569-F 100A单芯片半桥可以提高当前应用的总性能。实际改善程度视不同的应用参数而有所变化，因此需要对最重要的一些指标进行评估。

本文小结

将SixPACK用作半桥可以提升性能，并使所选用的模块和封装提供更高的功率。在驱动电路方面必须备加关注，在计算多芯片方案中使用的单芯片电流时必须考虑电流降额。深入至芯片级的单独发射极检测和对称设计都是对电源模块的要求，Vincotech模块可以同时满足这两个要求。并联使用元件不仅可以达到更大的电流输出，而且可以提高设计的可靠性。