Параллельное включение модулей EconoPACK+

Популярные силовые модули EconoPACK™+на базе IGBT производства Infineon при реализации различных силовых устройств часто требуется включать по сдвоенной и строенной трехфазной схеме. О правилах, которые следует при этом соблюдать, рассказано в предлагаемом руководстве.

Модули EconoPACK™+ предназначены для реализации различных силовых устройств, начиная от традиционных трехфазных схем с шестью силовыми ключами и заканчивая схемами со множеством параллельных транзисторов. В состав силовой сборки EconoPACK™+ входят три транзисторных полумоста (рисунок 1). При выполнении параллельного включения нескольких полумостов необходимо соблюдать некоторые правила, речь о которых и пойдет в данном руководстве.

Рис. 1. Структура силовой сборки EconoPACK™+

Рис. 1. Структура силовой сборки EconoPACK+

Параллельное включение IGBT и диодов EmCon

В состав силового модуля EconoPACK™+ входят кристаллы IGBT3/IGBT4 и диоды EmCon HE или EmCon3. Эти силовые компоненты были разработаны и производятся компанией Infineon в сотрудничестве с Eupec. Благодаря использованию технологии NPT Fieldstop модули EconoPACK+ имеют ряд преимуществ при параллельном подключении.

Технология NPT Fieldstop обеспечивает положительный температурный коэффициент во всем рабочем диапазоне для IGBT, а также для диодов при токе, равном или превышающем номинальное значение. Также стоит отметить минимальный разброс параметров VCEsat, VF и VGeth. Именно эти особенности и гарантируют отличные динамические показатели EconoPACK+ при параллельном включении.

Параллельное включение модулей EconoPACK+

В сдвоенной трехфазной конфигурации на каждую фазу приходятся два параллельно включенных силовых полумоста. При этом соответствующие клеммы модулей объединяются с помощью внешних шин (рисунок 2).

Рис. 2. Параллельное включение силовых полумостов в сдвоенной трехфазной схеме

Рис. 2. Параллельное включение силовых полумостов в сдвоенной трехфазной схеме

При параллельном включении трех полумостов для каждой фазы потребуется по одному модулю EconoPACK+ (рисунок 3). При подключении внешних шин следует проявлять аккуратность, чтобы обеспечить симметричное соединение.

Рис. 3. Параллельное включение силовых полумостов в строенной трехфазной схеме

Рис. 3. Параллельное включение силовых полумостов в строенной трехфазной схеме

Возможно параллельное соединение и большего числа полумостов. Однако для этих целей рекомендуется использовать серию модулей IHM.

Динамический и статический ток в параллельных схемах

Распределение тока между IGBT, включенными параллельно, зависит от нескольких факторов. При этом следует различать распределение статических и динамических токов (рисунок 4, 5).

На распределение статических токов между параллельными IGBT-транзисторами влияют следующие факторы:

  • разность активных сопротивлений соединительных шин (от клеммы модуля до точки объединения);
  • различия в значениях VCEsat и VF;
  • разность температур между полумостами, соединенными параллельно.

Рис. 4. Распределение статических токов при параллельном включении модулей EconoPACK™+

Рис. 4. Распределение статических токов при параллельном включении модулей EconoPACK+

Разность активных сопротивлений соединительных шин. Внутренние паразитные сопротивления модулей EconoPACK+ определяются сопротивлением соединительных проводов и медных проводников на DCB (Direct Bonded Copper). Эти сопротивления оказываются практически идентичными из-за симметричной конструкции модуля. В документации этот параметр указывается как RCC/EE. Чтобы сохранить минимальную разницу сопротивлений, конструкция внешних соединительных шин также должна быть максимально симметричной.

Нельзя забывать и о таких негативных явлениях как коррозия и загрязнение силовых клемм.

Различия в значениях VCEsat и VF. Разброс значений VCEsat и VF определяется технологией производства транзисторов. В случае использования NPT Fieldstop отклонения оказываются столь незначительными, что их влиянием при параллельном включении можно пренебречь. С учетом вышеупомянутого положительного температурного коэффициента подбор чипов с равными значениями напряжения насыщения не требуется.

Разность температур. Значения VCEsat и VF зависят от температуры. Таким образом, значительные отличия в температурах кристаллов приводят к асимметрии токов. Обеспечение равномерного охлаждения позволяет бороться с этим явлением.

На распределение динамических токов в моменты переключений параллельных IGBT-транзисторов влияют следующие факторы:

  • разброс значений VGEth, используемых IGBT;
  • разность паразитных индуктивных составляющих Ld соединительных шин;
  • распределение магнитного поля при коммутации;
  • разность температур кристаллов параллельных полумостов.

Рис. 5. Распределение динамических токов при параллельном включении модулей EconoPACK™+

Рис. 5. Распределение динамических токов при параллельном включении модулей EconoPACK+

Разброс значений VGEth определяется технологией производства транзисторов. Он оказывается незначительным при использовании NPT Fieldstop и не приводит к значимой асимметрии при распределении динамических токов.

Разность индуктивных составляющих соединительных шин оказывает большое значение на распределение динамических токов. Для получения оптимальных результатов конструкция соединительных шин должна быть симметричной.

Распределение магнитного поля при коммутации. Как известно, проводник с током формирует магнитное поле с напряженностью H. При параллельном включении нескольких полумостовых секций линии магнитных полей имеют одинаковое направление вращения, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Направления магнитных полей при протекании токов в модулях EconoPACK™+

Рис. 6. Направления магнитных полей при протекании токов в модулях EconoPACK+

При параллельном включении модулей EconoPACK+ магнитное поле оказывается неоднородным (рисунок 7). Это приводит к различиям в скорости переключений параллельных полумостов.

Рис. 7. Процесс коммутации параллельных полумостов модулей EconoPACK™+

Рис. 7. Процесс коммутации параллельных полумостов модулей EconoPACK+

Для компенсации данного эффекта выполняют подстройку индуктивностей шин или фазовой индуктивности (рисунки 8, 9,10).

Рис. 8. Параллельное включение трех полумостов EconoPACK™+ без согласования токов

Рис. 8. Параллельное включение трех полумостов EconoPACK+ без согласования токов

Рис. 9. Параллельное включение трех полумостов EconoPACK™+ с согласованием токов, выполненным с помощью затворных резисторов

Рис. 9. Параллельное включение трех полумостов EconoPACK+ с согласованием токов, выполненным с помощью затворных резисторов

Рис. 10. Параллельное включение трех полумостов EconoPACK™+ с согласованием токов, выполненным с помощью подстройки индуктивностей шин

Рис. 10. Параллельное включение трех полумостов EconoPACK+ с согласованием токов, выполненным с помощью подстройки индуктивностей шин

Управление IGBT

В параллельной схеме IGBT должны включаться и выключаться одновременно. Рассинхронизация приводит к асимметрии динамических токов. Для обеспечения одновременного переключения всех параллельных транзисторов может использоваться один управляющий сигнал. Конечно, IGBT также могут управляться отдельными драйверами, однако недостатком этого подхода является разброс времени распространения управляющих сигналов. С другой стороны, процессы выравнивания через вспомогательный коллектор и вспомогательный эмиттер будут отсутствовать. Если говорить о стоимости реализации, то более экономичным вариантом также будет использование одного управляющего сигнала (рисунки 11, 12).

Рис. 11. Схема управления параллельными полумостами модулей EconoPACK™+

Рис. 11. Схема управления параллельными полумостами модулей EconoPACK+

Важно, чтобы у каждого IGBT был собственный резистор затвора и защитный диод между затвором и эмиттером. Эти компоненты следует располагать как можно ближе к силовому модулю. Коллекторы верхних транзисторов необходимо подключать через резисторы, сопротивление которых должно быть минимально возможным.

Рис. 12. Зависимость тока управления от длительности импульса для модулей EconoPACK™+

Рис. 12. Зависимость тока управления от длительности импульса для модулей EconoPACK+

Уравнительные токи, протекающие через выводы вспомогательных коллекторов, не должны превышать 25 ARMS. Выбор ограничительных резисторов следует выполнять с учетом допустимого импульсного тока. Высоковольтные диоды для измерения VCE должны располагаться как можно ближе к модулю (рисунок 11).

Выравнивающие токи могут протекать через выводы вспомогательных эмиттеров. Эти токи увеличиваются до тех пор, пока не будет достигнута симметрия фазных токов. Для вспомогательных эмиттеров рекомендуется использовать ограничительные резисторы с минимальным сопротивлением. Но у этой методики есть большой недостаток, связанный с тем, что возникающее на них падение напряжения автоматически вычитается или добавляется к напряжению «затвор-эмиттер» в зависимости от направления выравнивающего тока. В результате включение и выключение IGBT происходит неравномерно. С другой стороны, выравнивающие токи не должны превышать максимальное значение, которое для вспомогательных эмиттеров составляет 25 ARMS, по этой причине и необходимы ограничительные резисторы. Выбор резисторов следует выполнять с учетом допустимого импульсного тока.

Номинал резисторов в цепи затвора рассчитывается по формуле 1:

$$R=R_{Gate}+R_{Emitter}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

В качестве вспомогательных коллекторов для нижних IGBT могут быть использованы выводы вспомогательных эмиттеров верхних IGBT. Чтобы использовать вспомогательные эмиттеры верхних IGBT для измерения VCE или для работы схемы активного ограничения (Active Clamping Circuit), потребуются высоковольтные диоды, которые следует располагать как можно ближе к модулю. Схема включения показана на рисунке 13.

Рис. 13. Схема управления тремя параллельно включенными полумостами

Рис. 13. Схема управления тремя параллельно включенными полумостами

Как показано на рисунке 14, для выравнивания токов могут быть использованы синфазные дроссели. Они ограничивают динамический ток при возникновении рассогласования между током затвора и током вспомогательного эмиттера.

Рис. 14. Ограничение токов вспомогательных выводов с помощью синфазных дросселей

Рис. 14. Ограничение токов вспомогательных выводов с помощью синфазных дросселей

Выравнивание токов с помощью дополнительных индуктивностей на выходе

Дополнительные дроссели на выходе каждого полумоста влияют на развязку параллельных секций. Если импеданс Z = w⋅L индуктивности Lσ больше импеданса модулей IGBT, то токи через выходные дроссели будут распределяться симметрично (рисунок 15).

Рис. 15. Выравнивание токов с помощью дополнительных выходных дросселей

Рис. 15. Выравнивание токов с помощью дополнительных выходных дросселей

Помимо выравнивания токов, дроссели Lσ могут использоваться для уменьшения dv/dt на нагрузке. Как видно из эквивалентной схемы (рисунок 16), индуктивность Lσ оказывается включенной последовательно с нагрузкой. Таким образом, если не учитывать сопротивление кабеля, то мы получим индуктивный делитель напряжения. Емкость, подключенная параллельно индуктивности нагрузки, дополнительно ограничивает величину dv/dt.

Рис. 16. Уменьшение dv/dt с помощью LC-цепи

Рис. 16. Уменьшение dv/dt с помощью LC-цепи

Выравнивание токов с помощью кольцевого включения дросселей

Для устранения асимметрии в распределении токов может быть использована схема с кольцевым соединением выходных компенсационных дросселей (рисунок 17). Принцип работы этой схемы можно сравнить с принципом работы схемы, показанной на рисунке 14. Индуктивность каждого дросселя является функцией разности токов обмоток L = f(Di). Если токи в параллельных цепях одинаковы, то индуктивность дросселя равна нулю.

Рис. 17. Выравнивание токов с помощью кольцевого включения дросселей

Рис. 17. Выравнивание токов с помощью кольцевого включения дросселей

В качестве дросселей могут быть использованы кольцевые сердечники из порошкового железа, как показано на рисунке 18. Распределение токов в схеме с тремя параллельно включенными полумостами показано на рисунке 19.

Рис. 18. Самый простой способ выравнивания токов – использование кольцевых сердечников из порошкового железа

Рис. 18. Самый простой способ выравнивания токов – использование кольцевых сердечников из порошкового железа

Рис. 19. Распределение токов в схеме с тремя параллельно включенными полумостами модуля EconoPACK™+

Рис. 19. Распределение токов в схеме с тремя параллельно включенными полумостами модуля EconoPACK+

Заключение

При создании мощных устройств иногда возникает необходимость параллельного включения силовых модулей. Силовые модули EconoPACK+ дают такую возможность. При этом для получения хороших результатов необходимо уделять повышенное внимание проектированию не только силовых цепей, но и цепей управления.

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
IFS100B12N3E4B31BOSA1 (INFIN)
IFS150B12N3E4B31BOSA1 (INFIN)
IFS150V12PT4BOSA1 (INFIN)
IFS100B12N3E4PB11BPSA1 (INFIN)
IFS150B12N3E4PB11BPSA1 (INFIN)
IFS200B12N3E4B31BPSA1 (INFIN)
IFS100B17N3E4PB11BPSA1 (INFIN)
IFS150B12N3E4PB50BPSA1 (INFIN)
IFS200V12PT4BOSA1 (INFIN)
IFS100V12PT4BOSA1 (INFIN)
FS75R12KE3BOSA1 (INFIN)
FS50R12KE3BOSA1 (INFIN)
FS450R12KE3BOSA1 (INFIN)
FS100R12KE3BOSA1 (INFIN)
FS100R07N3E4BOSA1 (INFIN)
FS100R12KT3BOSA1 (INFIN)
FS100R12KT4GBOSA1 (INFIN)
FS100R17N3E4B11BOSA1 (INFIN)
FS150R07N3E4B11BOSA1 (INFIN)
FS150R12KE3GBOSA1 (INFIN)