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IGBT器件級和DBC基板級并聯均流技術

作者:海飛樂技術 時間:2018-10-15 17:36

  IGBT器件并聯連接主要是由于器件自身參數和散熱不均勻造成的電流不均衡,過高的電流會導致IGBT的損壞。造成IGBT器件并聯失衡的原因有很多,其中最主要的是器件自身參數不同,外圍電路不一致和溫度因素。IGBT器件由于個體差異性,閥值電壓會有一定程度的不同,通態壓降不同等都會導致電流不均衡;驅動信號的延遲,由于溫度引起的通態壓降變化等也會引起器件并聯電流不均衡。
 
  1. IGBT器件級均流
  (1)降額法
  通過降額法計算IGBT器件并聯時工作的總安全電流,使IGBT器件工作在允許承受的電流范圍內。
  (2)阻抗平衡法
  在每個并聯支路串聯一定阻值的電阻,電流可平均分配到各個支路中,電路原理如圖1所示。該電路的優點是結構簡單,成本低,但會帶來較大的功率損耗,降低系統的整體效率。

阻抗平衡法均流電路原理圖 
圖1 阻抗平衡法均流電路原理圖
 
  (3)驅動信號延遲調整
  驅動信號存在延遲,IGBT導通的時間存在差異,會導致并聯電流不均衡。圖2所示為驅動信號延遲調整電路原理圖。補償柵極電阻值也可以用來改變IGBT的導通延遲時間,使驅動信號實現同步。把變比1:1的脈沖變壓器串聯連接到驅動電路與柵極之間,通過變壓器磁親合的方式來調整驅動信號,改善其動態不均流。
驅動信號延遲調整電路圖 
圖2 驅動信號延遲調整電路圖
 
(4)主動口級控制法
  通過控制驅動信號延時和柵極電壓實現。動態均流控制時,檢測流過每個并聯IGBT的電流,求平均值,通過動態均流控制器將支路電流與平均電流值的差異轉換成時間差,在下個開關周期予補償。靜態均流控制時,通過靜態均流控制器轉換成柵極電壓差值,在下個開關周期予以補償。
 
  綜上所述,在設計IGBT并聯均流電路時應當特別注意以下幾點:選擇自身參數一致性高的IGBT器件;減小電路中布線的引線電感,電路結構上對稱分布;調整驅動信號延遲,實現同步驅動。
 
  2. DBC基板級均流
  設計的IGBT串并聯均壓均流電路均是基于IGBT封裝模塊設計的,下面分析DBC陶瓷基板級IGBT并聯均流。
 
  圖3所示為IGBT芯片在DBC陶瓷基板上的布局及互連模型,將其等效成圖4所示的電阻網絡模型。其中,Rc為IGBT通態阻抗,RP為布局路徑電阻。由圖4可以看出,每條路徑上的電阻值不同,貝時目應流過路徑的電流值不同,則并聯電流不均衡。
DBC基板布局模型 
圖3 DBC基板布局模型
等效電阻網絡模型 
圖4 等效電阻網絡模型
柵極-發射極布局 
圖5 柵極-發射極布局
柵極-發射極等效電路 
圖6 柵極-發射極等效電路
 
  圖5柵極-發射極DBC陶瓷基板布局可以等效為圖6所示的等效電路圖。其中,Z1、Z3和Z6為鍵合線電阻,Z2、Z4和Z5為DBC基板布局電阻。根據圖6等效電路可得出有效柵極驅動電壓:
計算公式 
  由以上王個等式可以得出,并聯的IGBT所需驅動電壓不同,則在IGBT開通瞬間電流上升率不同,引起電流不均衡??梢酝ㄟ^增加DBC基板上層銅箔厚度和減小芯片間互連銅箔長度來減小電阻,達到電阻均衡目的。
基于銅柱的銅箔粘接技術 
圖7 基于銅柱的銅箔粘接技術
 
  圖7所示為基于銅柱的銅箔粘接技術圖,采取銅箔粘接技術,改變DBC基板上層銅箔的布局,可以有效地減小鍵合線電阻。




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