芯片并联的分析

分布的影响。通过应用统计方法，可以定义更切合实际的降额因子。 叙词：芯片并联 IGBT模块 续流二极管 降额因子 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

    为了估计并联IGBT模块变化参数所导致的失衡，通常根据元件参数的上下限的组合进行最坏情况分析。这种方法的缺点是它没有考虑到这种最坏情况组合的发生概率。研究续流二极管正向压降对并联模块电流分布的影响，可以对最坏情况进行评估。通过应用统计方法，可以定义更切合实际的降额系数。

    为了扩大单一组件的电流能力以满足给定应用的需求而进行的元件并联运行是电力电子领域中的一个基础概念。这一概念由IGBT或MOSFET芯片来实现，在这些芯片中，单MOS栅单元并联在一起，形成一个现代的大功率芯片。在功率模块中也经常见到这种连接方式，芯片被并行连接以达到所需的电流能力。

    总部位于纽伦堡的电力电子系统制造商赛米控所生产的常规IGBT功率模块（SKM100 GB123D）的并联使用情况被选为本次调查的载体。在这样的一个并联配置的半桥模块中，IGBT和相应的续流二极管都并联运行。由于IGBT在额定电流下有正温度系数，因此它们普遍被认为非常适合并联。与此相反，二极管则更为重要的，因为它正向压降的温度系数在额定电流下通常是稍稍为负。因此，以下的分析只考虑由续流二极管通态压降变化所导致的电流不平衡。所用IGBT的分析也可由参考文献[1]获得。

2、并联二极管作最坏情况分析

    首先，对并联二极管作最坏情况分析。因此，我们假设已知参数的元件并联在一起，参数的值都满足在规格范围之内——在我们的例子中，是指那些有最大或最小正向压降的模块。为了分析由此产生的影响，模块所指定通态值指定都必须转化为一个分析表格。表格中，正向压降被描述成温度和电流的函数，此外还有一个比例因子，用于使正向压降达到最小、典型或最大值。一个简化的线性特征被选为电流/电压特性（见图1）。在并联状态下，当一个模块的正向压降达到规格所指定的最小值（LSL），而与其相连的其他一个或多个模块的正向压降达到规格所指定的最大值（USL）时，最坏的情况发生。

图1 赛米控IGBT模块（SKM100GB123D）中续流二极管正向电压的简化特性
（图中的“点”代表数据表值）

    假设模块之间不存在热耦合，并且二极管的结壳热阻在散热器的温度保持在85°C的条件下，等于规格所指定的最大值0.50K/W，正向压降的差异对由此差异所导致芯片温度和电流不平衡的影响是可以计算出来的。为了这样做，为流经每个芯片的电流和低压降及高压降支路的温度设置启动参数（以下简称具有相同特征的模块为“支路”）。然后，正向压降作为温度和电流的函数被计算出来。该值可以用来计算损耗；以此为基础，可以从热模型计算出正确的芯片温度。接下来就是要通过调整流经每条支路的电路，尽量减少假设温度和计算温度之间的差异。注：作为一个约束，各支路之间压降的差值必须为零。

    为了LSL和USL支路，计算每个芯片的电流和结温。二极管的额定电流：50A。对于只有一个模块的情况（n=1），选择位于规格上限的模块，因为这是单模块的最坏情况（图2）。

图2 多达20个IGBT模块并联时，二极管的最坏情况：电流和温度的失衡

    单模块的芯片电流为50A，因为不会发生电流失衡。对于2单元并联，LSL支路的电流为75A，比单模块高50%。当并联的模块数量增加时，情况进一步恶化。当20个模块并联时，最坏的情况时电流几乎达到额定电流的2.25倍。

    在达到规格上限的单模块中，二极管的结温度达132℃。在所描述的最坏情况下，由此所产生的电流分布失衡在两支路中产生危险的结温分布。两模块并联情况下，结温为145℃，而当20个模块并联时，LSL支路的结温升高到190°C。而由于二极管是负温度系数，相当于IGBT，这种作用对二极管来说更加的严重。IGBT正向压降的正温度系数，减少了并联运行时的不平衡，而二极管的负温度系数则增强了这种不平衡的情况。因此，多个续流二极管的并联运行被认为是至关重要的。

3、统计分布可由生产批次数据来确定

    然而，在实践中，有些应用中并联的模块有20个甚至更多，但并没有发生所预期的问题。这一点可以用统计学来解释。与上面所描述的简化的最坏情况不同，有必要看一下所考虑组合的发生概率。因此，我们需要有关所用元件真实正向压降分布的统计数据。为了评估一系列的生产过程，仅查看一个生产批次的统计数据是不够的。实际上，一般来说，有必要考虑不同生产批次的统计数据。图3显示了IF=50A时，一批总共125000个二极管的正向压降的正态统计分布，图中标出了规格的上下限。在此统计数据的基础上，我们可以计算最坏情况发生的概率。图4显示了基于图3分布函数所得到最坏情况的发生概率。找到一个正向压降处于规格上限的二极管的概率非常低：1011个二极管中只有一个二极管的正向压降等于或大于USL。10个芯片中，一个位于LSL，9个芯片位于USL的概率不到10-99。鉴于这些数字，可以说由10块基于真实VF分布和给定规格限制的芯片所组成的最坏情况几乎可以排除。

图3 IF=50A时，125000个续流二极管正向压降的统计分布

图4 基于图3芯片正态分布所得到二极管并联时最坏情况的发生概率

    与最坏情况分析不同，对于发生概率为固定常数（如1ppm）的情况，可以用统计方法计算电流分布中的不平衡。因此，在给定正向电压分布的基础上，计算限额被确定，这样选择低于或高于限值的概率等于预先定义的概率（下限计算，LCL；上限计算，UCL）。更透彻的分析表明，对于任意正态分布，正向电压的差异都将达到最大值，当且仅当这些限值被对称地定义为正态分布的均值xm：xm-LCL=UCL-xm。

    对于设置规格界限，由于当并联芯片数量增加时，发生的概率显著下降，LCL和UCL限值不得不向正态分布的均值靠近，以维持恒定的概率1ppm。这使得由芯片组合所导致电流分布不平衡的计算落在了计算限额LCL和UCL之外。一个性能较差的组合的发生概率是1ppm。结论：100万个组合中只有一个组合的性能比所示的结果差。

4、并联降额系数

    如果一开始所进行的最坏情况计算用统计方法重复进行一次，所得的电流和温度失衡结果非常不同（见图5）。对于LCL芯片，每片的电流在n=3时达到最大值64A，然后下降，直到对于20块并联芯片达到一个完全的平衡。结温达到最大值，约138℃（与高通态损耗单个二极管和1ppm概率情况时的约130℃相比）。

图5 仅根据二极管通态压降变化的影响，发生概率为1ppm时，
最坏情况和统计方法二者降额因子的比较

    对于单个二极管（最坏情况下结温为132.2℃，概率为1ppm时结温为130.5℃），不同方法（对应统计方法的最坏情况）的结果只有小的差异，而当并联二极管的数量越来越多时，所计算出的最高结温有很大的差别。

    在该数据基础上，可以定义（专门）用于说明所讨论模块（SKM100 GB123D）正向压降变化的并联运行降额因子。为了实现这一目的，我们首先要确定一个并联运行最高允许温度。需要根据这一额外边界条件重新计算，该边界条件就是流过并联模块组的总电流受最高允许温度限制。一旦这样做了，可以为最坏情况和统计方法定义降额曲线。

    对于最坏情况分析，最高允许结温被定义为132.2℃。该温度等于正向电压等于规格上限的单二极管的结温。两芯片并联时，每芯片最大电流降至80%。20片芯片并联时，每芯片最大电流降至低于额定电流的40%。根据这一计算结果，20个额定电流为50A的二极管只能承载400A的电流，或着每个芯片承载20A。这使得并联成为一个并非诱人的选项。

    在统计办法中，单个二极管的最高允许温度为130.5℃（发生概率为1ppm）。因此，该值被作为温限。当3个二极管并联时，最大允许电流下降至88%，这是降额曲线中的最小值。对于三模块以上的并联，降额因子增加。对于10个以上模块的并联，降额因子甚至超过100%。乍一看，这一令人惊讶的结果表明对于大量元件并联的情况，统计方法证明了元件的并联甚至是更有利的方法，换句话说：对于相同的发生概率，单一模块不如20个模块并联。

    应当强调的是，本次调查仅关注一个参数的影响：续流二极管正向压降的变化。调查演示了统计方法的影响，可以扩大到更多的参数。因此，给定的降额因子只适用于所举的例子。在实际应用中，电流路径不对称所带来的影响甚至更重要，可能需要更高降额[2]。