Utilisation du module IGBT pour les considérations de conception parallèle

En raison du coût élevé de production, le prix du module IGBT 1200V supérieur à 400A sur le marché. En ce qui concerne le module standard 1200V, 200-400A 62mm, en raison de la technologie et du produit relativement stables, de la bonne polyvalence du produit et de sa facilité de remplacement, c'est le moyen le plus économique d'utiliser plusieurs modules IGBT standard en parallèle pour améliorer la cote actuelle à ce stade. Cependant, en raison de l'incohérence des paramètres propres de l'IGBT et de l'asymétrie possible causée par la disposition du circuit, il n'est pas simple d'utiliser un module IGBT pour une conception parallèle. La sélection déraisonnable de composants en parallèle ou de composants peut facilement endommager le dispositif et endommager les lignes sur le système principal. Par conséquent, cet article, à partir de l'expérience réussie du département d'application chez le client et de l'équipement de test dans l'usine, propose l'importance d'utiliser un module IGBT en étoile pour une conception parallèle.

Les modules généralement plus grands que 100A sont eux-mêmes composés de plusieurs puces en parallèle, bien que les fabricants puissent utiliser des puces sur la même tranche pour les connecter en parallèle afin de réduire la différence de paramètres du module lui-même. Cependant, il est toujours nécessaire de prendre en compte les différences individuelles entre les paramètres du module résultant. En même temps, la symétrie du circuit est une influence très importante sur le parallélisme, qui peut être développée à partir des deux aspects statique et dynamique, de la différence de paramètres et de la différence de symétrie du circuit.

Facteurs affectant l'écoulement moyen parallèle et statique des modules

Dans l'utilisation réelle, l'état de fonctionnement du module IGBT se situe principalement dans la conduction et la commutation transitoire, et la phase de conduction est relativement longue et le courant est important. Cette section a un impact important. Commencez par l'état de conduction statique.

1.1. Les principales raisons affectant l'écoulement moyen parallèle du module sont les 4 points suivants

A) Effet de la chute de pression saturée Vce (sat)

b) Effet de l'asymétrie de l'impédance du circuit d'alimentation parallèle

c) Effet de la tension de commande de la grille Vge

d) Effet de la tension de seuil V th

e) Effet de la chute de pression de conduction de la diode Vf

1) Problèmes avec différentes Vce (sat) en parallèle:

Dans de nombreux cas, la personne moyenne pense que le Vce (sat) généré par le courant traversant l'IGBT est une valeur fixe, ce qui est une idée fausse. Vce (sat) fait en réalité référence à la chute de pression générée par le courant nominal. Pour l'IGBT, la chute de pression de conduction est une fonction du courant à la même V ge.

Pour les deux IGBT connectés en parallèle, la chute de pression générée par le passage du guide positif lors de l'ouverture de l'état stable est égale. Ainsi, l'équilibre de la distribution du courant dépend des différences dans les caractéristiques de sortie des différents IGBT en parallèle.

La figure 1 montre la différence dans la distribution du courant de deux IGBT à caractéristiques de sortie différentes en parallèle (le même Vce de deux IGBT en parallèle).

Figure 1 La situation de l'IGBT après l'écoulement moyen en parallèle avec différentes caractéristiques de sortie

Figure 2 Schéma de principe de l'écoulement moyen lorsqu'il est connecté en parallèle

Le V indiqué dans la figure 1T1 et VT2 pour deux modèles IGBT identiques en parallèle, la figure 2 montre que les caractéristiques de sortie des deux IGBT sont légèrement différentes. iC1 et iC2 respectivement VT1 et VT2 ayant la même chute de tension de tube (UCE1=UCE2) Le courant collecteur ci-dessous, I indique le courant nominal de ce type d'IGBT, Vcesat1 et Vcesat2 représentent la chute de pression saturée de deux IGBT au courant nominal. On peut approximer que:

R1=uff08Vce sa t 1-Vo1)/I (1)

R2=uff08Vce sa t 2-Vo2)/I (2)

UCE1=Vo1+R1×iC1(3)

UCE2=Vo2+R2×iC2(4)

Lorsqu'ils sont connectés en parallèle, le UCE1=UCE2=Uce, c'est-à-dire

iC1=uff08 Uce-Vo1 uff09/R1=uff08 Uce-Vo1 uff09×I/uff08Vcesat1-Vo1)

iC2=uff08Uce-Vo2uff09/R1=uff08Uce-Vo2uff09 ×I/uff08Vcesat2-Vo2)

Since these two IGBT's are of the same type, Vo1 Vo2 =Vo then

Therefore, if the current of two parallel I GBT modules is I, the current of two IGBT module with different Vce can be calculated as follows:

iC 1=uff08 Uce-V o1 uff09/R 1=uff08 Uce-V o1 uff09×I/uff08Vcesa t 1-V o1)=uff08Uce-V o uff09×I/uff08Vcesa t 1-V o ) iC 2=uff08Uc e-V o2uff09/R 1=uff08Uc e-V o2uff09×I/uff08Vc e s a t 2-V o2)=uff08Uc e-V o uff09×I/uff08Vc e s a t 2-V o )

Take the most common GD200HFL120C2S, for example:

Suppose a larger value of Vcesat1 is 2.5V (125℃), smaller value Vcesat2For 2.1V, (125℃),

Vo =0.8V

Assuming a larger value of Vcesat1Is 2.2V, with the smaller value of Vcesat1For 2.1V, be checked by the data manual

The typical Vo to is =0.8V

If the Vcesat difference is 0.1V, even if the output current required by the parallel module is io =200A, the current difference of the lower IGBT module of another Vce (sat) is 6A.In practice, there will be more loss than another IGBT module, although the IGBT chip is in a large current

Il a un coefficient de température positif, donc lorsque les deux modules IGBT sont en parallèle, il est recommandé que la différence entre V ce (sa t) ne dépasse pas 0,2V. Si cela est inévitable, il est recommandé de laisser une marge importante sur la température de régime pour compenser.

2) Shunt inégal causé par l'asymétrie de l'impédance du circuit de puissance

Fig. 2 Effet de l'impédance du circuit principal

Il est généralement admis que la différence dans le stockage en ligne parallèle du bus entraînera une impédance de circuit. Par conséquent, si le module IGBT utilisant une différence V c e (s a t) est inférieure à 0,2V, la symétrie de la ligne de bus doit être prise en compte. En fait, l'impact de cette partie est en réalité faible, comme le montre le diagramme de circuit équivalent 2, le RE1 et le RE2 équivalents à la connexion série de deux résistances et les deux branches uniformes d'écoulement moyen d'origine, si l'impédance est incohérente, cela provoquera un écoulement uniforme incohérent, tel que RE1 > RE2, ce qui signifie que RE2 aura inévitablement plus de courant au-dessus de la branche, provoquant un déséquilibre inégal et vice versa. Prenons GD200HFL120C2S comme exemple:

Le courant réel requis pour le module en parallèle est i o =200A, chaque module est en réalité de 100A, et la chute de pression sur le module réel est Uce =1.7V

Supposons que la section transversale de la médaille de bronze est de 410-5m2, La longueur de la rangée principale du module 1 est de 0,8m, la longueur de la rangée principale du module 1 est de 0,6m, et la résistance thermique à 30°C est de 1.810-8Ω*m

Comparé à l'influence de V c e (s a t), l'influence de l'asymétrie de la boucle de puissance est relativement inutile lorsqu'on est statique. Cependant, le bus introduira également l'inductance de fuite, ce qui aura un impact important sur le flux moyen dynamique, qui sera discuté ultérieurement.

3) Influence de la tension de commande de la grille Vge

le courant ICLe module traversant l'IGBT commandé par la tension de grille Vge génère la chute de pression de conduction Vce, qui est non seulement liée au courant traversant Ic, au V ce (sat) fourni ci-dessus, mais aussi directement liée à la tension de commande de grille Vge.

Inversement, à différentes tensions de commande Vge, avec le même Vce en parallèle, le courant Ic à travers les deux est naturellement différent.

Figure 3. Courbe caractéristique de sortie du module IGBT

D'après la Figure 3, nous pouvons clairement voir que,

Comme dans Vge =13V, à Vce =2.5V, à travers le courant Ic 255A

Comme dans Vge =15V, à Vce =2.5V, à travers le courant Ic 285A

Par conséquent, la conception du circuit de commande doit être très attentive, et il faut veiller à assurer la tension de commande du module en parallèle.

Il convient de souligner ici que la tension de grille Vge discutée ci-dessus fait référence aux deux extrémités de la grille IGBT, et non à la tension de sortie de la plaque de commande, et les clients négligents font souvent cette erreur. Comme on peut le voir sur la figure 4, il y a une résistance de grille entre la puce de commande et la borne de grille, et la connexion électrique de la puce de commande à la borne de grille IGBT, qui est la borne de grille de la machine généralement vue sur la machine, et la différence de paramètres du composant de commande et de la borne de grille sera comparée au moment de l'ouverture et de la fermeture

Mettre en évidence, causera l'ajout à la tension de grille IGBT et l'incohérence de la tension de sortie. Cela ne posera pas de problème à l'état stable car la grille appartient à un état de haute résistance.

Figure 4 Schéma du pilote de module

4) Effet de la tension d'ouverture, Vth

Parce que la tension appliquée par la tension du circuit de commande à la grille est un processus allant de la pression négative à la tension positive appliquée (s'il y a une pression négative), le courant I ne peut pas circuler à travers le module avant la tension de grille Vth, donc l'IGBT du plus petit Vge (th) s'ouvrira plus tôt et se fermera plus tard. Comme cet effet se produit principalement au moment de l'ouverture, et qu'il peut être connu à partir de la courbe caractéristique de transfert de la FIG. 4, le courant I c est très faible lorsque la tension de commande est V t h. En général, la différence de Vth du module du même type est inférieure à 0,5V, donc l'effet de la tension d'ouverture Vth est relativement faible.

5 Caractéristiques de transfert du module IGBT

5) Effet de la diode Vf

Dans l'onduleur et d'autres applications, la diode inverse en parallèle du module IGBT doit supporter beaucoup de courant. L'effet de Vf de la diode sur le flux moyen est exactement le même que celui de Vce (sat) sur le flux moyen, seul l'IGBT est affecté par Vce (sat) et le Vf de la diode.

R1=uff08V f-Vo1)/I R2=uff08V f-Vo2)/I Uf1=Vo1+R1×if1Uf2=Vo2+R2×if2

(1)

(2)

(3)

(4)

Lorsque Uf1=Uf2=Uf est connecté en parallèle, alors

iC1=uff08 Uf-Vo1 uff09/R1=uff08 Uf-Vo1 uff09×I/uff08Vf1-Vo1)

iC2=uff08 Uf-Vo2uff09/R1=uff08 Uf-Vo2uff09 ×I/uff08Vf2-Vo2)

Puisque ces deux diodes sont du même type, Vo1 Vo2 =Vo

Par conséquent, si le courant de deux modules IGBT en parallèle est I, le courant de deux modules IGBT avec des Vce différents peut être calculé comme suit:

iC1=uff08 Uf-Vo1 uff09/R1=uff08 Uf-Vo1 uff09×I/uff08Vf1-Vo1)=uff08 Uf-Vo uff09 ×I/uff08Vf1-Vo) iC12=(Uf-Vo2) / R2= (Uf-Vo2) I / (Vf2-Vo2) = (Uf-Vo) I / (Vf2-Vo) Le module commun de 150A est une colonne,

En supposant que la valeur plus grande Vf est de 2,2V et la valeur plus petite Vf est de 2,1V, la tension de sortie typique trouvée dans le manuel de données est =1,3V

Facteurs affectant le flux dynamique parallèle

Les principales raisons affectant le flux moyen dynamique parallèle des modules sont les 3 points suivants

A) Paramètres dynamiques du propre IGBT

b) Induction parasite du circuit de commande

c) L'inductance parasite du circuit de puissance

1) Distribution inégale causée par les propres paramètres de l'IGBT

Le principal facteur affectant l'équilibre actuel au moment de la commutation est les caractéristiques de transfert du dispositif parallèle.

Figure 3. Comparaison des caractéristiques de transfert des modules parallèles

Diagramme de comparaison des deux propriétés de module parallèle avec des caractéristiques de transfert incohérentes montrées dans la figure 3. Dans la FIG. 3, lorsque la même tension de commande V est appliquée au module parallèleGE, le module IGBT raide supportera plus de courant, et la perte de commutation deviendra également plus grande.2) Parasitisme du circuit de commande et shunt inégal causé par l'inductance

Associée à la capacité parasite au niveau de la grille du IGBT, l'inductance parasite du circuit de commande peut causer de graves oscillations, entraînant des fluctuations de la tension de grille. L'inductance parasite de l'émetteur peut causer une variation du degré de commutation.

Circuit de commande de pôle de grille IGBT RG, inductance de fuite LGLE,, et capacitance d'entrée IGBT CinLe processus d'ouverture et de commutation est une réponse typique du circuit série R L C. Dans la figure 4, la résistance R correspond à RG, L, correspondant à l'inductance LG+LE, le condensateur C correspond à la capacité d'entrée Cin.