芯片并聯(lián)的分析

分布的影響。通過應(yīng)用統(tǒng)計方法，可以定義更切合實際的降額因子。 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并聯(lián)模塊電流分布的影響，可以對最壞情況進(jìn)行評估。通過應(yīng)用統(tǒng)計方法，可以定義更切合實際的降額系數(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)域中的一個基礎(chǔ)概念。這一概念由IGBT或MOSFET芯片來實現(xiàn)，在這些芯片中，單MOS柵單元并聯(lián)在一起，形成一個現(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，因為它正向壓降的溫度系數(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)，此外還有一個比例因子，用于使正向壓降達(dá)到最小、典型或最大值。一個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或多個模塊的正向壓降達(dá)到規(guī)格所指定的最大值（USL）時，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算出來的。為了這樣做，為流經(jīng)每個芯片的電流和低壓降及高壓降支路的溫度設(shè)置啟動參數(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)被計算出來。該值可以用來計算損耗；以此為基礎(chǔ)，可以從熱模型計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)溫度和計算溫度之間的差異。注：作為一個約束，各支路之間壓降的差值必須為零。

    為了LSL和USL支路，計算每個芯片的電流和結(jié)溫。二極管的額定電流：50A。對于只有一個模塊的情況（n=1），選擇位于規(guī)格上限的模塊，因為這是單模塊的最壞情況（圖2）。

圖2 多達(dá)20個IGBT模塊并聯(lián)時，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，因為不會發(fā)生電流失衡。對于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，情況進(jìn)一步惡化。當(dāng)20個模塊并聯(lián)時，最壞的情況時電流幾乎達(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個模塊并聯(lián)時，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)計分布可由生產(chǎn)批次數(shù)據(jù)來確定

    然而，在實踐中，有些應(yīng)用中并聯(lián)的模塊有20個甚至更多，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)所用元件真實正向壓降分布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。為了評估一系列的生產(chǎn)過程，僅查看一個生產(chǎn)批次的統(tǒng)計數(shù)據(jù)是不夠的。實際上，一般來說，有必要考慮不同生產(chǎn)批次的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。圖3顯示了IF=50A時，一批總共125000個二極管的正向壓降的正態(tài)統(tǒng)計分布，圖中標(biāo)出了規(guī)格的上下限。在此統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們可以計算最壞情況發(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。找到一個正向壓降處于規(guī)格上限的二極管的概率非常低：1011個二極管中只有一個二極管的正向壓降等于或大于USL。10個芯片中，一個位于LSL，9個芯片位于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，125000個續(xù)流二極管正向壓降的統(tǒng)計分布

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

    與最壞情況分析不同，對于發(fā)生概率為固定常數(shù)（如1ppm）的情況，可以用統(tǒng)計方法計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（下限計算，LCL；上限計算，UCL）。更透徹的分析表明，對于任意正態(tài)分布，正向電壓的差異都將達(dá)到最大值，當(dāng)且僅當(dāng)這些限值被對稱地定義為正態(tài)分布的均值xm：xm-LCL=UCL-xm。

    對于設(shè)置規(guī)格界限，由于當(dāng)并聯(lián)芯片數(shù)量增加時，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算落在了計算限額LCL和UCL之外。一個性能較差的組合的發(fā)生概率是1ppm。結(jié)論：100萬個組合中只有一個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)行的最壞情況計算用統(tǒng)計方法重復(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）。對于LCL芯片，每片的電流在n=3時達(dá)到最大值64A，然后下降，直到對于20塊并聯(lián)芯片達(dá)到一個完全的平衡。結(jié)溫達(dá)到最大值，約138℃（與高通態(tài)損耗單個二極管和1ppm概率情況時的約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，
最壞情況和統(tǒng)計方法二者降額因子的比較

    對于單個二極管（最壞情況下結(jié)溫為132.2℃，概率為1ppm時結(jié)溫為130.5℃），不同方法（對應(yīng)統(tǒng)計方法的最壞情況）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，所計算出的最高結(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。為了實現(xiàn)這一目的，我們首先要確定一個并聯(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)計方法定義降額曲線。

    對于最壞情況分析，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，每芯片最大電流降至80%。20片芯片并聯(lián)時，每芯片最大電流降至低于額定電流的40%。根據(jù)這一計算結(jié)果，20個額定電流為50A的二極管只能承載400A的電流，或著每個芯片承載20A。這使得并聯(lián)成為一個并非誘人的選項。

    在統(tǒng)計辦法中，單個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個二極管并聯(lián)時，最大允許電流下降至88%，這是降額曲線中的最小值。對于三模塊以上的并聯(lián)，降額因子增加。對于10個以上模塊的并聯(lián)，降額因子甚至超過100%。乍一看，這一令人驚訝的結(jié)果表明對于大量元件并聯(lián)的情況，統(tǒng)計方法證明了元件的并聯(lián)甚至是更有利的方法，換句話說：對于相同的發(fā)生概率，單一模塊不如20個模塊并聯(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。在實際應(yīng)用中，電流路徑不對稱所帶來的影響甚至更重要，可能需要更高降額[2]。