分布的影響。通過應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法，可以定義更切合實(shí)際的降額因子。 敘詞：芯片并聯(lián) IGBT模塊 續(xù)流二極管 降額因子 Abstract：The article, after investigation and analysis, introduces the influence of chip parallel towards the parameters of IGBT module, and lays emphasis on the influence of FWD (fly-wheel diode) forward voltage drop toward parallel module current. By applying statistics means, more practical derating factor can be defined. Keyword：Chip parallel, IGBT Module, FWD, Derating factor
1、前言

    為了估計(jì)并聯(lián)IGBT模塊變化參數(shù)所導(dǎo)致的失衡，通常根據(jù)元件參數(shù)的上下限的組合進(jìn)行最壞情況分析。這種方法的缺點(diǎn)是它沒有考慮到這種最壞情況組合的發(fā)生概率。研究續(xù)流二極管正向壓降對(duì)并聯(lián)模塊電流分布的影響，可以對(duì)最壞情況進(jìn)行評(píng)估。通過應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法，可以定義更切合實(shí)際的降額系數(shù)。

    為了擴(kuò)大單一組件的電流能力以滿足給定應(yīng)用的需求而進(jìn)行的元件并聯(lián)運(yùn)行是電力電子領(lǐng)域中的一個(gè)基礎(chǔ)概念。這一概念由IGBT或MOSFET芯片來實(shí)現(xiàn)，在這些芯片中，單MOS柵單元并聯(lián)在一起，形成一個(gè)現(xiàn)代的大功率芯片。在功率模塊中也經(jīng)常見到這種連接方式，芯片被并行連接以達(dá)到所需的電流能力。

    總部位于紐倫堡的電力電子系統(tǒng)制造商賽米控所生產(chǎn)的常規(guī)IGBT功率模塊（SKM100 GB123D）的并聯(lián)使用情況被選為本次調(diào)查的載體。在這樣的一個(gè)并聯(lián)配置的半橋模塊中，IGBT和相應(yīng)的續(xù)流二極管都并聯(lián)運(yùn)行。由于IGBT在額定電流下有正溫度系數(shù)，因此它們普遍被認(rèn)為非常適合并聯(lián)。與此相反，二極管則更為重要的，因?yàn)樗驂航档臏囟认禂?shù)在額定電流下通常是稍稍為負(fù)。因此，以下的分析只考慮由續(xù)流二極管通態(tài)壓降變化所導(dǎo)致的電流不平衡。所用IGBT的分析也可由參考文獻(xiàn)[1]獲得。

2、并聯(lián)二極管作最壞情況分析

    首先，對(duì)并聯(lián)二極管作最壞情況分析。因此，我們假設(shè)已知參數(shù)的元件并聯(lián)在一起，參數(shù)的值都滿足在規(guī)格范圍之內(nèi)——在我們的例子中，是指那些有最大或最小正向壓降的模塊。為了分析由此產(chǎn)生的影響，模塊所指定通態(tài)值指定都必須轉(zhuǎn)化為一個(gè)分析表格。表格中，正向壓降被描述成溫度和電流的函數(shù)，此外還有一個(gè)比例因子，用于使正向壓降達(dá)到最小、典型或最大值。一個(gè)簡化的線性特征被選為電流/電壓特性（見圖1）。在并聯(lián)狀態(tài)下，當(dāng)一個(gè)模塊的正向壓降達(dá)到規(guī)格所指定的最小值（LSL），而與其相連的其他一個(gè)或多個(gè)模塊的正向壓降達(dá)到規(guī)格所指定的最大值（USL）時(shí)，最壞的情況發(fā)生。

圖1 賽米控IGBT模塊（SKM100GB123D）中續(xù)流二極管正向電壓的簡化特性
（圖中的“點(diǎn)”代表數(shù)據(jù)表值）

    假設(shè)模塊之間不存在熱耦合，并且二極管的結(jié)殼熱阻在散熱器的溫度保持在85°C的條件下，等于規(guī)格所指定的最大值0.50K/W，正向壓降的差異對(duì)由此差異所導(dǎo)致芯片溫度和電流不平衡的影響是可以計(jì)算出來的。為了這樣做，為流經(jīng)每個(gè)芯片的電流和低壓降及高壓降支路的溫度設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)（以下簡稱具有相同特征的模塊為“支路”）。然后，正向壓降作為溫度和電流的函數(shù)被計(jì)算出來。該值可以用來計(jì)算損耗；以此為基礎(chǔ)，可以從熱模型計(jì)算出正確的芯片溫度。接下來就是要通過調(diào)整流經(jīng)每條支路的電路，盡量減少假設(shè)溫度和計(jì)算溫度之間的差異。注：作為一個(gè)約束，各支路之間壓降的差值必須為零。

    為了LSL和USL支路，計(jì)算每個(gè)芯片的電流和結(jié)溫。二極管的額定電流：50A。對(duì)于只有一個(gè)模塊的情況（n=1），選擇位于規(guī)格上限的模塊，因?yàn)檫@是單模塊的最壞情況（圖2）。

圖2 多達(dá)20個(gè)IGBT模塊并聯(lián)時(shí)，二極管的最壞情況：電流和溫度的失衡

    單模塊的芯片電流為50A，因?yàn)椴粫?huì)發(fā)生電流失衡。對(duì)于2單元并聯(lián)，LSL支路的電流為75A，比單模塊高50%。當(dāng)并聯(lián)的模塊數(shù)量增加時(shí)，情況進(jìn)一步惡化。當(dāng)20個(gè)模塊并聯(lián)時(shí)，最壞的情況時(shí)電流幾乎達(dá)到額定電流的2.25倍。

    在達(dá)到規(guī)格上限的單模塊中，二極管的結(jié)溫度達(dá)132℃。在所描述的最壞情況下，由此所產(chǎn)生的電流分布失衡在兩支路中產(chǎn)生危險(xiǎn)的結(jié)溫分布。兩模塊并聯(lián)情況下，結(jié)溫為145℃，而當(dāng)20個(gè)模塊并聯(lián)時(shí)，LSL支路的結(jié)溫升高到190°C。而由于二極管是負(fù)溫度系數(shù)，相當(dāng)于IGBT，這種作用對(duì)二極管來說更加的嚴(yán)重。IGBT正向壓降的正溫度系數(shù)，減少了并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的不平衡，而二極管的負(fù)溫度系數(shù)則增強(qiáng)了這種不平衡的情況。因此，多個(gè)續(xù)流二極管的并聯(lián)運(yùn)行被認(rèn)為是至關(guān)重要的。

3、統(tǒng)計(jì)分布可由生產(chǎn)批次數(shù)據(jù)來確定

    然而，在實(shí)踐中，有些應(yīng)用中并聯(lián)的模塊有20個(gè)甚至更多，但并沒有發(fā)生所預(yù)期的問題。這一點(diǎn)可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)來解釋。與上面所描述的簡化的最壞情況不同，有必要看一下所考慮組合的發(fā)生概率。因此，我們需要有關(guān)所用元件真實(shí)正向壓降分布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。為了評(píng)估一系列的生產(chǎn)過程，僅查看一個(gè)生產(chǎn)批次的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是不夠的。實(shí)際上，一般來說，有必要考慮不同生產(chǎn)批次的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。圖3顯示了IF=50A時(shí)，一批總共125000個(gè)二極管的正向壓降的正態(tài)統(tǒng)計(jì)分布，圖中標(biāo)出了規(guī)格的上下限。在此統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們可以計(jì)算最壞情況發(fā)生的概率。圖4顯示了基于圖3分布函數(shù)所得到最壞情況的發(fā)生概率。找到一個(gè)正向壓降處于規(guī)格上限的二極管的概率非常低：1011個(gè)二極管中只有一個(gè)二極管的正向壓降等于或大于USL。10個(gè)芯片中，一個(gè)位于LSL，9個(gè)芯片位于USL的概率不到10-99。鑒于這些數(shù)字，可以說由10塊基于真實(shí)VF分布和給定規(guī)格限制的芯片所組成的最壞情況幾乎可以排除。

圖3 IF=50A時(shí)，125000個(gè)續(xù)流二極管正向壓降的統(tǒng)計(jì)分布

圖4 基于圖3芯片正態(tài)分布所得到二極管并聯(lián)時(shí)最壞情況的發(fā)生概率

    與最壞情況分析不同，對(duì)于發(fā)生概率為固定常數(shù)（如1ppm）的情況，可以用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算電流分布中的不平衡。因此，在給定正向電壓分布的基礎(chǔ)上，計(jì)算限額被確定，這樣選擇低于或高于限值的概率等于預(yù)先定義的概率（下限計(jì)算，LCL；上限計(jì)算，UCL）。更透徹的分析表明，對(duì)于任意正態(tài)分布，正向電壓的差異都將達(dá)到最大值，當(dāng)且僅當(dāng)這些限值被對(duì)稱地定義為正態(tài)分布的均值xm：xm-LCL=UCL-xm。

    對(duì)于設(shè)置規(guī)格界限，由于當(dāng)并聯(lián)芯片數(shù)量增加時(shí)，發(fā)生的概率顯著下降，LCL和UCL限值不得不向正態(tài)分布的均值靠近，以維持恒定的概率1ppm。這使得由芯片組合所導(dǎo)致電流分布不平衡的計(jì)算落在了計(jì)算限額LCL和UCL之外。一個(gè)性能較差的組合的發(fā)生概率是1ppm。結(jié)論：100萬個(gè)組合中只有一個(gè)組合的性能比所示的結(jié)果差。

4、并聯(lián)降額系數(shù)

    如果一開始所進(jìn)行的最壞情況計(jì)算用統(tǒng)計(jì)方法重復(fù)進(jìn)行一次，所得的電流和溫度失衡結(jié)果非常不同（見圖5）。對(duì)于LCL芯片，每片的電流在n=3時(shí)達(dá)到最大值64A，然后下降，直到對(duì)于20塊并聯(lián)芯片達(dá)到一個(gè)完全的平衡。結(jié)溫達(dá)到最大值，約138℃（與高通態(tài)損耗單個(gè)二極管和1ppm概率情況時(shí)的約130℃相比）。

圖5 僅根據(jù)二極管通態(tài)壓降變化的影響，發(fā)生概率為1ppm時(shí)，
最壞情況和統(tǒng)計(jì)方法二者降額因子的比較

    對(duì)于單個(gè)二極管（最壞情況下結(jié)溫為132.2℃，概率為1ppm時(shí)結(jié)溫為130.5℃），不同方法（對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)方法的最壞情況）的結(jié)果只有小的差異，而當(dāng)并聯(lián)二極管的數(shù)量越來越多時(shí)，所計(jì)算出的最高結(jié)溫有很大的差別。

    在該數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可以定義（專門）用于說明所討論模塊（SKM100 GB123D）正向壓降變化的并聯(lián)運(yùn)行降額因子。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，我們首先要確定一個(gè)并聯(lián)運(yùn)行最高允許溫度。需要根據(jù)這一額外邊界條件重新計(jì)算，該邊界條件就是流過并聯(lián)模塊組的總電流受最高允許溫度限制。一旦這樣做了，可以為最壞情況和統(tǒng)計(jì)方法定義降額曲線。

    對(duì)于最壞情況分析，最高允許結(jié)溫被定義為132.2℃。該溫度等于正向電壓等于規(guī)格上限的單二極管的結(jié)溫。兩芯片并聯(lián)時(shí)，每芯片最大電流降至80%。20片芯片并聯(lián)時(shí)，每芯片最大電流降至低于額定電流的40%。根據(jù)這一計(jì)算結(jié)果，20個(gè)額定電流為50A的二極管只能承載400A的電流，或著每個(gè)芯片承載20A。這使得并聯(lián)成為一個(gè)并非誘人的選項(xiàng)。

    在統(tǒng)計(jì)辦法中，單個(gè)二極管的最高允許溫度為130.5℃（發(fā)生概率為1ppm）。因此，該值被作為溫限。當(dāng)3個(gè)二極管并聯(lián)時(shí)，最大允許電流下降至88%，這是降額曲線中的最小值。對(duì)于三模塊以上的并聯(lián)，降額因子增加。對(duì)于10個(gè)以上模塊的并聯(lián)，降額因子甚至超過100%。乍一看，這一令人驚訝的結(jié)果表明對(duì)于大量元件并聯(lián)的情況，統(tǒng)計(jì)方法證明了元件的并聯(lián)甚至是更有利的方法，換句話說：對(duì)于相同的發(fā)生概率，單一模塊不如20個(gè)模塊并聯(lián)。

    應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，本次調(diào)查僅關(guān)注一個(gè)參數(shù)的影響：續(xù)流二極管正向壓降的變化。調(diào)查演示了統(tǒng)計(jì)方法的影響，可以擴(kuò)大到更多的參數(shù)。因此，給定的降額因子只適用于所舉的例子。在實(shí)際應(yīng)用中，電流路徑不對(duì)稱所帶來的影響甚至更重要，可能需要更高降額[2]。