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IGBT模塊的並聯：從最壞情況模擬到完全統計方法

發布時間：2009-02-01 來源：英飛淩科技股份公司

中心議題：

IGBT模塊在並聯時的降額必然性問題

解決方案：

之前采用的方法是最壞情況分析方法
英飛淩公司現在推出蒙特卡羅模擬工具
最差情況分析結果僅僅表明最高結溫可能達到IGBT的溫度限值
蒙特卡羅分析則提供更詳細的信息

IGBT模mo塊kuai在zai並bing聯lian時shi的de降jiang額e必bi然ran性xing問wen題ti同tong器qi件jian的de工gong藝yi問wen題ti一yi樣yang是shi一yi個ge老lao問wen題ti了le。在zai試shi圖tu回hui答da該gai問wen題ti時shi，工gong程cheng師shi們men通tong常chang會hui很hen快kuai地di發fa現xian自zi己ji處chu在zai一yi個ge兩liang難nan的de位wei置zhi上shang。過guo去qu，人ren們men針zhen對dui該gai問wen題ti提ti出chu了le一yi些xie考kao慮lv統tong計ji因yin素su的de方fang法fa，但dan是shi到dao目mu前qian為wei止zhi，仍reng然ran沒mei有you人ren可ke以yi回hui答da這zhe樣yang的de關guan鍵jian問wen題ti，即ji如ru果guo降jiang額e低di於yu最zui差cha情qing況kuang分fen析xi方fang法fa所suo建jian議yi的de降jiang額e時shi，超chao出chu器qi件jian限xian值zhi的de概gai率lv有you多duo大da。現xian在zai，英ying飛fei淩ling公gong司si推tui出chu的de蒙meng特te卡ka羅luo模mo擬ni工gong具ju可ke以yi給gei出chu這zhe方fang麵mian的de信xin息xi。

之前采用的方法（最壞情況分析方法）

並聯開關IGBTmokuaidecanshufudonghuidaozhidianliubupingheng，congershidebutongmokuaidegongzuowendubuyizhi。wentishitongjiandangongzuomoshixiangbi，mokuaikeyizaihezhongchengdushangshixianbingliangongzuo。

比如“最壞情況分析方法”等以前的方法是根據產品手冊中的最大值計算得出降額係數，從而確定並聯並非一個好主意。

如圖1所示，以下這個例子給出了在給定總電流為700A 時，計算五個並聯的FF200R12KT3模塊的DC電流不平衡度的過程。其中，每個模塊的環境參數為：U_DC= 600V, IRMS= 140A, f_Motor= 50 HZ, f_sw= 6500Hz, 以及cosφ = 0,9。

圖1：五個並聯的FF200R12KT3模塊

圖1：五個並聯的FF200R12KT3模塊

如果所有的模塊都精確地具有產品手冊所給出的典型靜態和動態參數，那麼計算得到的工作溫度為T_J=114°C。假設所有模塊都在最高額定限值條件下工作，並且施加飽和電壓，那麼結溫將提高8°C到122°C。

下麵，我們用所謂的“最差情況”方法進行分析。如圖2所示，一個模塊（類別1）工作在典型飽和電壓下，而其他四個模塊（類別2）工作在最高限值條件下。
圖2：飽和電壓柱狀圖

圖2：飽和電壓柱狀圖

圖2：飽和電壓柱狀圖

具有典型飽和電壓的模塊（類別2）的工作電流為197A。在開關條件下的最高結溫將超過10°C到135°C。而在最高限值條件下的模塊結溫為119°C，電流為126A。這zhe些xie數shu據ju表biao明ming，在zai最zui差cha假jia設she情qing況kuang下xia的de並bing聯lian僅jin僅jin存cun在zai降jiang額e可ke能neng性xing。但dan這zhe是shi否fou必bi然ran發fa生sheng？降jiang額e的de可ke能neng性xing有you多duo大da？下xia麵mian的de分fen析xi將jiang給gei出chu這zhe些xie問wen題ti的de答da案an。

蒙特卡洛方法

mengtekaluofangfashideguanchasuoyouxiaoyingchengweikeneng，zheshitongguoduidaliangjuyoubutongcanshudeqijianyangpinjinxingmonilaishixiande。zhezhongfangfadejichushisuijishu。keyiliyonglunpandumoxingshengchengzhexiesuijishu。

英飛淩的蒙特卡羅模擬工具（如圖3所示）可以為n個並聯模塊中的每一個模塊生成一組參數。
圖3：LabVIEW中的模擬程序：用戶界麵

圖3：LabVIEW中的模擬程序：用戶界麵

圖3：LabVIEW中的模擬程序：用戶界麵

下麵的語句按步驟描述了蒙特卡羅模擬的基本過程。

第(di)一(yi)步(bu)驟(zhou)計(ji)算(suan)隨(sui)機(ji)選(xuan)擇(ze)的(de)通(tong)態(tai)電(dian)壓(ya)下(xia)的(de)均(jun)流(liu)。在(zai)接(jie)下(xia)來(lai)的(de)模(mo)擬(ni)步(bu)驟(zhou)中(zhong)，程(cheng)序(xu)將(jiang)在(zai)每(mei)個(ge)模(mo)塊(kuai)計(ji)算(suan)得(de)到(dao)的(de)電(dian)流(liu)中(zhong)加(jia)上(shang)開(kai)關(guan)損(sun)失(shi)。隨(sui)後(hou)，通(tong)過(guo)將(jiang)進(jin)一(yi)步(bu)計(ji)算(suan)得(de)到(dao)的(de)損(sun)失(shi)與(yu)模(mo)塊(kuai)的(de)R_th相乘得到結溫。

最後一步是對計算得到的結溫進行通態和開關損失調整。

蒙特卡羅模擬工具將重複執行這四個步驟，直到每一個模塊的結溫都集中為某一特定值為止。圖4所示的流程圖給出了一個隨機模塊配置的損失計算過程。

圖4：隨機模塊配置的損失計算原理

圖4：隨機模塊配置的損失計算原理

上麵所給出的計算流程被用於處理每一個生成的模塊配置，並且利用這個迭代方法得到溫度同所有的參數之間的依賴關係。

參數變化

在模擬過程中必須考慮到眾多的參數以及它們的分布，以使得模擬盡可能地接近實際情況。

對於電流不平衡度，V_CEsat值是適當的輸入參數。V_CEsat的變化可以從最終測試數據中獲知。圖2給出了一個1200V IGBT³芯片的典型飽和電壓柱狀圖。

並聯模塊之間溫度差異的深層原因則是因為並聯模塊在開關過程中是不平衡的。有兩個主要原因造成了這些不對稱，首先是芯片參數的變化（如輸入電容的變化，V_GEth的變化等），另外是係統參數的變化（如門驅動器階段參數的變化等）。

根據實驗室特征化測試結果，導通和關斷損失的統計標準方差值確定為典型值的5-7%。除了關斷損失的統計變化之外，在E_off和V_CEsat之間還存在一個係統折衷關係。飽和電壓越小，IGBT芯片的關斷損失就越大，反之亦然。在蒙特卡羅模擬工具也實現了這個折衷函數。

ruqiansuoshu，xitongdecanshubianhuayehuiyingxiangdaodaotongsunshi。dangmenqudongqidecanshubianhuadeyingxiangchaoguolexinpiancanshubianhuadeyingxiangshi，jiubixukaolvzhexiecanshubianhua。zhekenengbaokuoguangdianouheqideyanchihezhuanhuanshijiancanshudefudonghuozheshimenqudongshuruzukangcanshudefudong。

在(zai)許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)，器(qi)件(jian)中(zhong)的(de)係(xi)統(tong)不(bu)平(ping)衡(heng)的(de)影(ying)響(xiang)將(jiang)大(da)大(da)超(chao)過(guo)統(tong)計(ji)浮(fu)動(dong)的(de)影(ying)響(xiang)。這(zhe)些(xie)不(bu)平(ping)衡(heng)可(ke)能(neng)由(you)電(dian)流(liu)路(lu)徑(jing)中(zhong)的(de)非(fei)均(jun)勻(yun)電(dian)阻(zu)或(huo)者(zhe)非(fei)均(jun)勻(yun)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)特(te)別(bie)是(shi)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)造(zao)成(cheng)的(de)。

weilezaimengtekaluomonizhongdedaojingquedejieguo，henyoubiyaodedaoguanyushijishebeizhongdexitongbupinghengdesuoyouxinxi。huoquhuozhezhidaoyueduodeshebeicanshu，suodedaodePPM聲明的精確度也就越高。

模擬結果

根據模擬所得到的結果，可以生成器件電流和結溫的分布函數。下麵的柱狀圖給出了對例子中的五個並聯FF200R12KT3模塊進行40000次模擬所得到的蒙特卡羅模擬結果。第一個柱狀圖（圖5）給出了5個模塊中的最高溫度分布情況。圖6則給出了所有五個模塊的箱線圖以及它們各自的最高溫度分布情況。

圖5：最大IGBT結溫柱狀圖

圖5：最大IGBT結溫柱狀圖

圖6：IGBT結溫箱線圖

圖6：IGBT結溫箱線圖

PPM聲明

利用模擬所得到的結果，可以回答諸如此類的問題：在什麼樣的配置ppmlvxia，jianghuichaoguozuigaozhidingdejiewen？zhegeshengmingduiyukehueryanshishifenyouyongde，takeyibangzhukehuzhenduiqiyingyongxuanzeshidangdemokuai。monijisuansuodedaodezuigaojiewenfenbushiyigeduishuzhengtaifenbu（如下圖所示）。
圖7：五個並聯模塊的溫度分布

圖7：五個並聯模塊的溫度分布

圖7：五個並聯模塊的溫度分布

利用這個函數和相應的標準方差，可以指定一個超過指定結溫的配置ppm率。

基於最初的計算，可以預測超過最高結溫限值（在給出的例子中為T_J=125°C）的並聯IGBT模塊的ppm率為0.56ppm。而最差情況計算得到的結果僅僅是最高結溫值可能達到135°C。

總結

利用並聯IGBT模塊的蒙特卡羅模擬方法，可以基於器件中的隨機模塊參數和係統不平衡度計算出電流不平衡度，開關損失以及結溫。基於這些結果，就有可能計算超過最高結溫的期望ppm率。

在所給出的例子中，最差情況分析結果僅僅表明最高結溫可能達到135°C。而蒙特卡羅分析則提供更詳細的信息->每百萬個模塊中隻有0.56個模塊會超過IGBT的溫度限值。轉換器的開發人員可以利用這些信息來確定轉換器中可采用的模塊類型。

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