封裝寄生參數對并聯IGBT芯片瞬態電流分布的影響規律.pdf

封裝寄生參數對并聯IGBT芯片瞬態電流分布的影響規律石浩1，吳鵬飛1，唐新靈1，董建軍2，韓榮剛1，張朋11. 全球能源互聯網研究院有限公司，北京 102209；2. 國網山西省電力公司晉城供電公司，山西 晉城 033000摘 要大功率IGBT器件通過并聯多個IGBT芯片來獲得大電流等級，并聯芯片動靜態電流分布的一致性對于提高器件電流等級以及可靠性至關重要。首先介紹了大功率IGBT模塊內部布局不一致導致的封裝寄生參數差異性。其次，結合IGBT等效電路模型及其開關特性，分析了寄生參數差異性對于并聯IGBT芯片瞬態電流分布特性的影響規律。最后，建立了并聯IGBT芯片的等效電路模型，并應用Synopsys Saber軟件建立了仿真電路，從封裝寄生電感參數差異性、封裝寄生電阻參數差異性，分析了參數差異對并聯芯片的瞬態電流分布特性的影響。關鍵詞 IGBT；并聯芯片；寄生電感；寄生電阻；瞬態電流分布中圖分類號 TM152 文獻標志碼 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2018051310 引言絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolartransistor，IGBT）由于其電壓控制方式、高安全工作區以及高開關速度等特點，廣泛應用于智能電網、工業變頻、機車牽引等領域[1-3]。伴隨著新型芯片技術以及新型封裝技術的發展[4-5]，IGBT器件的電壓電流等級及其可靠性越來越高，并逐漸成為電力系統用電壓源換流裝備的理想器件。目前，高壓大功率IGBT器件已經廣泛應用于直流斷路器以及各項柔性直流輸電工程[6-11]。已有的研究結果表明，對于多芯片并聯的IGBT模塊，存在芯片瞬態電流分布不均勻的問題，并且需要提升芯片參數一致性[12-13]。但是對于大功率IGBT模塊，即使芯片參數一致，由于封裝結構引起的芯片布局并非完全對稱，并聯回路中的寄生參數不一樣，最終也會影響并聯芯片瞬態電流分布的一致性[14-15, 16]。文獻[17]針對具體的封裝結構，在考慮趨膚效應的基礎上，分析了回路中阻感參數對均流特性的影響，但是沒有詳細分析阻感參數變化時對電流分布的影響規律。目前，關于封裝寄生參數對并聯芯片的瞬態電流影響規律，主要集中在封裝寄生電感參數對開關特性的影響，且主要分析驅動回路寄生電感的影響以及輔助發射極寄生電感的影響[18-22]。本文從封裝結構固有的不對稱性出發，分別分析了集電極雜散電感差異性、集電極雜散電阻差異性；柵極寄生電感差異性、柵極寄生電阻差異性；發射極寄生電感差異性、發射極電阻差異性；以及他們對并聯芯片瞬態電流分布特性的影響規律。1 并聯IGBT芯片等效電路模型LC1 LC2MC12 LE1LE2M12多芯片并聯模塊內部的一部分如圖1所示，由圖中的DBC布局與芯片布局可知，并聯芯片回路參數存在較大的差異性，使得多芯片并聯時的瞬態電流分布不一致。準確的仿真電路模型，對于研究不同寄生參數對電流分布的影響規律至關重要。圖2為并聯IGBT芯片等效電路。其中、分別為IGBT1、IGBT2芯片集電極到外部功率端子之間的寄生電感；為并聯支路互電感；、分別為IGBT1、IGBT2芯片發射極到外部功率端子之間的寄生電感；為并聯支路互電感。收稿日期2018?05?22； 修回日期2018?11?19?；痦椖繃铱萍贾卮髮ｍ椉呻娐穼ｍ椯Y助項目2015ZX02301，國家電網公司科技項目GEIRI-GB-71-17-001。第 52 卷 第 8 期中國電力Vol. 52, No. 82019 年 8 月ELECTRIC POWER Aug. 201916LG1 RC1RG1RE1 LG2RC2RG2 RE2此外，為IGBT1驅動回路寄生電感；為IGBT1集電極寄生電阻；為IGBT1驅動回路寄生電阻；為IGBT1發射極寄生電阻；同理，為IGBT2驅動回路的寄生電感；為IGBT2集電極寄生電阻；為IGBT2驅動回路寄生電阻；為IGBT2發射極寄生電阻。IGBT1、IGBT2的集電極電流、柵極電流、發射極電流如圖2所示。對IGBT1，開關瞬態過程中可得到電路方程為uGE1 LG1 diG1dt iG1RG1uge1LE1 diC1iG1dt M12 diC2iG2dt iC1iG1RG1（1）同樣對IGBT2，開關瞬態過程中可得到電路方程uGE2 LG2 diG2dt iG2RG2uge2LE2 diC2iG2dt M12 diC1iG1dt iC2iG2RG2（2）對于并聯IGBT芯片，輸入端子電壓一致，即uGE1 uGE2（3）由上述分析可知，回路中的電感、電阻參數不一致都將會導致并聯IGBT芯片的電流分布不均勻。因此，本文結合實際封裝結構特點，主要分析了封裝寄生電阻差異性以及封裝寄生電感差異性對多芯片并聯均流特性的影響規律。1.1 仿真電路建模本文使用Synopsys Saber仿真軟件，分析并聯IGBT芯片在不同回路參數條件下的電流分布特性分析，仿真以5個芯片為例。并聯芯片仿真電路如圖3所示。IGBT器件型號為IRgnin075m12，母線電壓為600 V，主回路雜散電感為350 nH，每個IGBT芯片驅動回路電阻取6.8 Ω。仿真分析基于雙脈沖測試原理，第一個脈沖寬度為60 μs，隨后IGBT關斷10 μs。第二個脈沖寬度10 μs，其目的主要在于觀測第二個脈沖的開通波形。仿真步長為2 ns，且限定仿真步長最小值為1 ns，最大值為3 ns。1.2 開關波形分析針對圖3所示的仿真電路，單個芯片的仿真波形如圖4所示。如圖4a）是關斷瞬態過程中，IGBT電流波形以及柵極驅動波形，圖4b）為關斷瞬態過程中，IGBT電流波形以及柵極驅動波形。由圖4a）可知，芯片關斷延遲時間為283 ns，關斷時間為520.82 ns，與數據手冊中的數據差別不大；由圖4b）可知，芯片開通延遲時間為366 ns，開通上升時間為250.21 ns，與數據手冊中給出的數值較為接近。同時，開通時間與數據手冊中的數據完全吻合。針對圖3所示的仿真電路，所有芯片的回路參數一致，即主回路參數一致，驅動回路參數一致。圖5所示為各個支路的電流分布。由于仿真過程中，關斷電流一致，且不存在電流過沖，并沒有繪制關斷電流波形。1.3 定義不均流系數為了便于分析，在后續的仿真過程中，芯片1、集電極母排發射極母排發射極柵極發射極開爾文接觸IGBT 芯片Diode 芯片圖 1 并聯IGBT芯片Fig. 1 Parallel IGBT chipsIGBT1IGBT2LE1LC1LC2RC1RC2LG1RG1LG2RG2RE1LE2RE2柵極 GateGGE ECCM12MC12uGE1uGE2uge1uge2iC1iC2iE1iE2iG1 iG2圖 2 并聯IGBT芯片等效電路模型Fig. 2 Equivalent circuit model of parallel IGBT chips第 8 期 石浩等封裝寄生參數對并 聯 IGBT芯片瞬態電流分布的影響規律17芯片2、芯片3、芯片4的各個回路參數一致。通過改變芯片5的回路參數，使其有別于其他4顆芯片，來觀察并聯芯片在開關過程中的電流分布特點?；谏鲜龇治?，定義多芯片并聯的不均流系數λ。即在開通和關斷的瞬態過程中，當5顆芯片中任意一個芯片的電流達到最大時刻，取芯片5與其他芯片的電流差（因為其他4個芯片電流一致），然后除以此時總電流的平均值，從而得到不均流系數表達式，即[ ichip5 ichip1234ichip54 ichip12345jttimax] 100（4）2 電阻參數差異性對電流分布特性的影響2.1 柵極電阻參數差異性對電流分布特性的影響改變柵極電阻，將會改變柵極電流的充電速度，從而改變電流的分布特性。仿真電路與圖3相同，但是對IGBT5驅動電阻的阻值進行改動。在驅動電阻6.8 Ω的基礎上，增加了–2 Ω、–1 Ω、–0.5 Ω、–0.1 Ω、0.1 Ω、0.5 Ω、1 Ω、2 Ω，并對不同情況下的電流分布進行了仿真分析，結果如圖6所示。根據圖6a）、圖6b）可知，當芯片5的柵極電阻增加1 Ω時，即改變量為14.7時，關斷的瞬態過程中的電流要大于其他芯片，此時的不均80 μHv_dc600 V350 nHv_pulseinitial ?15 Vpulse 15 Vv_pulseinitial ?15 Vpulse 15 Vv_pulseinitial ?15 Vpulse 15 Vv_pulseinitial ?15 Vpulse 15 Vv_pulseinitial ?15 Vpulse 15 VIGBT16.8 ΩIGBT26.8 ΩIGBT36.8 ΩIGBT46.8 ΩIGBT56.8 Ω??????圖 3 仿真分析電路Fig. 3 Simulation circuit59 60 61 62?20?1001020u ge中文无码小说