【经验】在功率模块内并联IGBT和二极管可以提高13%的应用总性能！

随着制造业的复兴，现在对高压的电机驱动器有了越来越大的需求，这也推动了对提供更高电流的功率模块的需求。传统做法一般是用专用的大电流功率模块。本文介绍了一种在一个功率模块内并联IGBT和二极管以扩大功率容量的替代方法，例如使用35A Sixpack模块作为100A半桥。由于使用多个小芯片与使用更少数量的大芯片相比具有更佳的热性能，这种方法可以提供更大的优势。功率模块在性能上取得突破的时候，考虑的是其内部参数变化的真实数据，而不是数据手册上的值，这意味着实际扩大的功率容量要更大。图1表示如何使用sixpack模块作为半桥。

图1使用Sixpack模块作为半桥

下面的计算基于VINCOTECH公司的P700-F Sixpack模块，该模块使用英飞凌IGBT3低损耗IGBT和Emcon HE的FRED。在高结点温度下，这两个元件的电压降均为正温度系数，这对于避免单个组件在并联时的热失控非常重要。

开关性能

并联IGBT时，必须特别注意驱动电路。由于不同芯片的栅极阈值电压是不同的，因此简单地连接栅极远远不够。相反，每个栅极必须用自己的栅极电阻及自己的电流源驱动，从而确保具有最低阈值电压的芯片不会钳位其它芯片的电压，也不会承载全部电流。此外，发射极电路的布局必须非常对称，以便使得发射极电感和电阻的差异。发射极电感和电阻即使很小也会在栅极驱动发射极连接之间产生补偿电流。为了限制这些电流，强烈建议在驱动电路中引入发射极电阻，阻值在至少0.5Ω范围内，但不要超过总栅极电阻的约1/3。为了确保实际的发射极驱动检测功能，Vincotech功率模块需要向发射极检测连接提供单独的键合线。此外，需要在驱动电路的延时、上升和下降时间方面不出现任何失配，因为这些失配也将导致开关电流的不平衡，从而并导致不同器件的开关损耗。推荐使用单个栅极驱动电路，为不同的IGBT提供单独的栅极和发射极电阻，如图2所示。如果需要更高的驱动电流，建议使用带有单独推挽驱动级的独立驱动电路。由于开关损耗和失配的大小取决于电路布局，因此需要在实际应用中对其进行测量和确认，这样可以使不同器件的开关损耗保持在10%-15%以内。

图2：带驱动电路的Sixpack低侧电路。

导通状态的性能

导通状态的性能更加重要。从P700 Sixpack的数据手册可以看出，IGBT集电极-发射极和二极管正向电压存在较大的变化。对IGBT来说，25°C时的集电极-发射极饱和电压典型值为1.7V，最大值为2.25V。鉴于这点，不推荐芯片并联，因为不能确保各个IGBT之间电流分担共享，这种情形对二极管来说情况更加糟糕。然而在实际应用中，一个功率模块内的器件集成度较高。这是由于它们是在同一晶圆上相邻或非常接近的位置被挑选出来的，因此具有非常相似的电特性。为了确定实际的电压变化，Vincotech在多批生产且分销时间在一年以上的4万多个模块中收集了大量数据。对这些数据的分析表明，99.99％的高侧或低侧IGBT饱和电压变化在25°C时不超过310mV，在125°C时不超过450mV。对于FRED来说，其值在25°C时为400mV，在125°C时为490mV。 被测系列元件中的饱和电压差范围分布情况见图3（针对IGBT）和图4（针对二极管）。表一显示了不同压差范围的概率。

图3饱和电压差范围

图4 FRED正向电压差范围

表1 不同概率时的压差范围

在考虑电流分担时，除了IGBT和FRED的低侧和高侧电压变化外，重要的是要知道第三个器件将具有什么值。我们可以使用从4万个模块收集到的真实数据，而不是数据手册中电压差的最差情况，基于此信息，可以单独计算每个模块的电流分担，使用最低电压降的器件来确定其他两个器件的电压。通过这样做，可以确保最好的器件将以其设计的最大电流电平工作，而其他器件将在其设计范围内以较低的电流水平工作。其他器件的电流可以使用IGBT饱和电压的动态电压斜率或二极管正向电流的电压斜率来计算。

模块的总电流可以用如下公式计算：

模块的电流降额可以可以用如下公式计算：

图5和图6显示了模块IGBT和FRED并联部分的降额分布情况。表2显示了电流降额的概率。

图5：IGBT电流降额分布

图6：FRED电流降额分布

表2：不同概率时的电流降额情况

对于使用13％降额IGBT和25％降额二极管的设计来说，只有万分之一的器件会超过目标设计极限，其他所有器件都在低于最初设计的目标电流下工作。基于此，万分之一的器件寿命可能低于预期。另一方面，上述分布曲线表明，对于IGBT，90％的模块将分担2％以内的电流，99％的模块将分担6％以内的电流。对于FRED，90％的模块将分担5％以内的电流，99％的模块将分担9％以内的电流。当设计分别使用13％和25％降额时，大多数模块将具有更好的电流分担功能，因此工作温度也就低于期望值。这不仅可以弥补少数器件较短寿命的缺点，还可以提高设计的整体寿命和可靠性。

热性能

使用多个较小的芯片代替一个较大的芯片可以改善热性能，这可以通过器件的热阻抗来描述。 这是因为芯片及其周围的特定区域都将参与热量从芯片到散热器的热传递。 图7显示了使用两个小芯片代替一个大芯片时散热改善情况，两种情况的总面积相等。

图7 改进散热

当比较P569-F模块中的100A IGBT与P700-F模块中的35A IGBT的热阻时，也可以看出这种改善情况。100A器件数据手册中给出的结点到散热器的热阻为0.57K/W。单个35A IGBT的热阻为1,29K/W，当对三个器件并联使用时总热阻为0.43K/W，这就有约25％的热性能改善，从而有助于补偿由于非理想的电流分担而要求的一些降额。

实例：使用35A Sixpack IGBT功率模块

我们把用作半桥的35A Sixpack模块的性能与100 A单芯片半桥模块性能进行比较。评估条件和参数如下所示：

器件        P700：Sixpack      35A/1200V

            P569：半桥         100A/1200V

电机频率    50Hz

功率因数    0.8

PWM频率  4kHz

散热器温度  80°C

T_j最大值:    125°C

在第一步中，使用Vincotech的flowSIM仿真器确定P700和P569的各个器件，IGBT和FRED的相电流能力。图8显示了对P700-F模块中的35A IGBT进行仿真的flowSIM结果。

图8 flowSIM P700 IGBT相电流仿真

下一步中应用电流降额，并针对3个并联器件将结果乘以3。表3显示了两种解决方案应用IGBT和FRED的结果。

表3：单芯片P569-F和多芯片P700-F解决方案之间的比较

结果表明，使用P700-35A Sixpack代替P569-F 100A单芯片半桥，可以提高13%的应用总性能。实际的改善程度将因不同的应用参数而有所变化，因此需要在最关键的一点进行评估。

结论

使用Sixpack作为半桥可以提高性能，并使所使用的模块和封装提供更高的功率。在计算多芯片方案中使用的单芯片电流时，必须特别注意驱动电路和电流降额。功率模块需要独立的芯片级发射极检测和对称设计，两者均由Vincotech模块实现。通过使用并联元件，不仅可以达到更高的电流水平，而且还可以提高设计的可靠性