模塊操作期間的當(dāng)前不平衡既可以是由平行功率模塊的特性（例如不同的正向電壓）以及功率轉(zhuǎn)換器本身的設(shè)計(jì)引起的。電源模塊的接口，例如DC和AC側(cè)的電源連接，柵極驅(qū)動器的設(shè)計(jì)以及與電源模塊的柵極驅(qū)動程序連接對并行連接的模塊的靜態(tài)和動態(tài)電流不平衡有影響。
圖1顯示了影響并聯(lián)連接的功率模塊性能的各種因素的概述。

在下面的圖中，重點(diǎn)放在對平行連接功率模塊中當(dāng)前不平衡的IGBT和二極管特征的分析上。為了進(jìn)行以下分析，考慮了統(tǒng)一的冷卻條件。

圖1 影響并行連接的功率模塊性能的因素。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供評估設(shè)置和測試樣本

每個滾動庫存制造商都有自己獨(dú)特的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，因此對于半導(dǎo)體制造商來說，如果沒有標(biāo)準(zhǔn)化的測試設(shè)置，則很難進(jìn)行代表性的電源模塊分析。在Horizo??n 2020項(xiàng)目“ Shift2Rail” [2]中討論了這個困難。項(xiàng)目成員同意定義半導(dǎo)體供應(yīng)商和電源轉(zhuǎn)換器制造商之間的標(biāo)準(zhǔn)化界面，以討論電源模塊的除評。參考設(shè)置如圖2所示。參考設(shè)置的目標(biāo)之一是盡可能減少外部組件對當(dāng)前平行連接功率模塊的當(dāng)前不平衡的影響。在直流側(cè)，每個功率模塊都有一個單獨(dú)的DC鏈接電容器；交流電源連接是通過一個寬闊的母線建立的，該母線在模塊下具有中央負(fù)載連接。僅使用一個中央門驅(qū)動器與低敏感界面板結(jié)合使用，以控制并行的模塊。

圖2 用于并行評估的參考測試設(shè)置

本文初出現(xiàn)在 Bodo的Power Systems 雜志中。

選擇參考測試設(shè)置以研究模塊并聯(lián)連接。 LV100軟件包中的CM450DA-66X模塊是代表性X系列功率模塊，被選為正在測試的設(shè)備進(jìn)行評估和分析。表1顯示了帶有硅芯片組和鋁底板的X系列陣容。這些功率模塊具有的X系列第7代，的芯片組，帶有CSTBT（III）溝槽IGBT和RFC Diode。 IGBT和二極管芯片均具有在寬電流范圍內(nèi)向前電壓的正溫系數(shù)。如果溫度不均勻分布在散熱器上，則此功能對在操作過程中平行連接的模塊之間的熱平衡有益。集成到模塊中的NTC溫度傳感器允許監(jiān)視每個平行連接模塊的溫度。此外，XSeries的雙重動力模塊還使用了帶有集成ALN陶瓷絕緣材料的新創(chuàng)新鋁底板，即所謂的MCB（金屬鑄造直接粘結(jié)）底板。與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，新的底板結(jié)構(gòu)具有明顯較小的連接到箱熱電阻，這允許輸出功率增加或降低工作連接溫度。此外，三菱電氣的X系列電源模塊為苛刻的鐵路應(yīng)用提供了功能，例如住房材料的高CTI值，部分排放測量，高質(zhì)量的控制和Traceability。

表1 LV/HV100  X系列陣容

為了研究不同的IGBT功率模塊參數(shù)對當(dāng)前共享的影響，已經(jīng)測量了十對電源模塊的平行連接。之后，進(jìn)行線性回歸分析以將波形和功率模塊參數(shù)的特征相關(guān)聯(lián)。
正在測試的設(shè)備為LV100軟件包中的3.3 kV/450 A（CM450DA-66X）功率模塊。這些設(shè)備在其電參數(shù)中顯示自然分布。因此，收集器 - 發(fā)射極飽和電壓范圍從2.61 V到2.81 V，蓋閘發(fā)器閾值電壓范圍從6.56 V到7.70 V，并且二極管向前電壓范圍從2.20 V到2.45V。在上交，關(guān)閉和反向恢復(fù)期間。
關(guān)閉切換分析
圖3顯示了兩個示例性的關(guān)閉測量結(jié)果。當(dāng)IGBT設(shè)備參數(shù)相似時，可以實(shí)現(xiàn)良好的電流共享。相反，在不同的功率模塊參數(shù)的情況下，負(fù)載電流在功率模塊之間不平等。
通過對十對的線性回歸分析，可以確定IGBT功率模塊參數(shù)與開關(guān)特性之間的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電流ΔIC的差異僅與收集器 - 發(fā)射極電壓的差異相關(guān)。其他功率模塊參數(shù)被發(fā)現(xiàn)無關(guān)緊要（確定系數(shù)<95％）。線性回歸分析導(dǎo)致當(dāng)前不平衡的以下關(guān)系。
轉(zhuǎn)交換分析
圖4顯示了與兩個并聯(lián)連接的電源模塊的交換波形。如果功率模塊參數(shù)相似，則電流將在兩個電源模塊之間平均共享。但是，當(dāng)功率模塊不同時，電源模塊之間的電流共享將是預(yù)期的。

發(fā)現(xiàn)電流共享與柵極發(fā)射極閾值電壓差ΔVGE （Th）和互補(bǔ)自由輪二極管ΔVEC的正向電壓差異相關(guān)。線性回歸分析導(dǎo)致當(dāng)前不平衡的以下關(guān)系。

（a）類似的設(shè)備參數(shù)

（b）不同的設(shè)備參數(shù)
圖3 示例性關(guān)閉波形（綠色：V GE 10V/p，藍(lán)色：I C1 150A/p，黃色：I C2 150A/DIV，紅色：V CE 500V/DIV，2.0 US/DIV）

（b）不同的設(shè)備參數(shù)

圖4 示例性的轉(zhuǎn)式波形（綠色：V GE 10V/p，藍(lán)色：I C1 300A/p，黃色：I C2 300A/DIV，紅色：V CE 500V/p，2.0 US/DIV）

（b）不同的設(shè)備參數(shù)
圖5 示例性逆回恢復(fù)波形（藍(lán)色：I C1 300A/DIV，黃色：I C2 300A/DIV，紅色：V CE 500V/DIV，2.0 US/DIV）

二極管逆回恢復(fù)開關(guān)
二極管反向恢復(fù)的示例性切換結(jié)果如圖5所示。同樣，如果功率模塊參數(shù)相似，則電流共享在兩個功率模塊之間平均。如果功率模塊參數(shù)不同，則靜電電流和峰值反恢復(fù)電流的差異變得可見。
線性回歸分析表明，靜電電流共享僅與二極管正向電壓的差ΔVEC相關(guān)。發(fā)現(xiàn)其他功率模塊參數(shù)并不重要。發(fā)現(xiàn)當(dāng)前不平衡的以下關(guān)系。
取消計(jì)算的計(jì)算高達(dá)六倍
基于電流和能量的衍生因子，可以定義在兩個以上模塊的平行連接的情況下所需的降低。為此，將假定一個并行的模塊之一具有特征（導(dǎo)致開關(guān)能量或電流），而所有其他模塊都具有特性（導(dǎo)致開關(guān)能量或電流）。通過使用以下方程，可以計(jì)算出兩個平行連接模塊的收集器電流的衍生比作為示例。
參數(shù)n是并行連接的模塊的數(shù)量。參數(shù)x是從兩個平行連接的模塊的測量中確定的不平衡比率（例如（根據(jù)（1）和（2）和（2）和（?ie/ieavg），根據(jù)（3））。如圖6所示，可以定義對分組參數(shù)的除法依賴性。該圖已經(jīng)說明了回歸分析確定的置信區(qū)間在衍生方面也非常有幫助多個功率模塊的比率。

圖6 收集器電流比率與正向電壓差

圖7 用于6倍平行連接的開關(guān)波形（條件：V cc = 1800V，I C = 2700A（450a）（每臺設(shè)備450a），T j = 150°C，V ge = +15V / -9V，r g（ON） =2.7Ω，r g（off） =62Ω，c ge = 33nf）

本文解釋了一種研究功率模塊參數(shù)對平行連接開關(guān)特性的影響的方法。對于每種開關(guān)類型，IGBT關(guān)閉，轉(zhuǎn)交和二極管反向恢復(fù)，研究了不同設(shè)備參數(shù)的影響。僅考慮重要參數(shù)，提供了一個模型來計(jì)算任意設(shè)備參數(shù)的切換特性的差異。它顯示了如何將結(jié)果傳輸?shù)骄哂袃蓚€以上設(shè)備的并行連接。，在平行連接中的六個設(shè)備之間共享均勻的電流共享。開關(guān)波形證明，使用精心設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器布局和良好的LV100模塊，可以實(shí)現(xiàn)理想的電流共享。