以IGBT为例来分析电力半导体器件的并联使用。

器件的并联使用是扩大变换器电流处理能力的手段之一。一般器件生产商并不推荐使用若干个小电流的IGBT模块并联来代替大的IGBT来使用，而是更推荐直接使用一个大的模块，因为这样可以不考虑并联器件的稳态和动态电流不均衡问题。只有当单个IGBT的电流处理能力达不到变换器的设计要求时，才使用器件并联技术。当然，从降低变换器成本的角度出发，采用小电流模块并联替代大模块，也是实际变换器设计的一种考虑。从现有器件电流能力和成本来说，采用200A以上的IGBT进行并联更经济实惠。

图6-1 完全均衡状态下的IGBT并联状态

为描述方便，不妨设n只额定电流为I_C0的IGBT并联后的总额定电流为nI_C，即I_C为并联后每只IGBT流经的平均电流。在理想情况下，所有IGBT中流经的电流相同，即并联器件中的电流处于完全均衡状态，并联后的总电流为nI_C0，如图6-1所示。但是受到器件本身特性、驱动电路、器件结温和器件所在主电路等因素差异的影响，各IGBT中流经的电流并不相等，即并联器件的电流处于不均衡状态，而并联后的总额定电流为nI_C也总是小于nI_C0。所以器件并联技术的核心就是如何降低并联器件电流的不均衡，根据IGBT电流的形式，还可以细分为稳态电流不均衡和动态电流不均衡。

以一个电压型逆变器（VSI）为例，分析并联IGBT稳态和动态电流不均衡与影响因素之间的关系，如表6-1所示。以IGBT门极驱动来说，驱动电路的输出阻抗和器件门极的连线都对并联IGBT的稳态电流不均衡没有影响，但是对动态电流不均衡有很大影响。也就是说并联器件的稳、动态电流不均衡分析存在较大的差别。

表6-1 并联IGBT稳态和动态电流不均衡与影响因素之间的关系

首先来分析并联IGBT的稳态电流不均衡。从表6-1中可以看出，当并联IGBT处于稳定通态后，如果负载电流存在非常快的变化，即di/dt非常大时，并联器件负载侧的连接差异会明显影响其稳态电流不均衡。在实际应用中，如电力传动系统中，变换器的负载侧一般为感性，不存在较大电流变化率。此时，主要的影响因素为器件的饱和压降和结温差异。降低并联器件稳态电流不均衡首先要选用饱和压降相同的器件，并保证器件的工作温度尽量一致。

实际上，器件的饱和压降特性跟器件的结温有密切关系，图6-2中给出了一个1200V/200A的IGBT的饱和压降的曲线。随温度变化，器件的饱和压降存在明显的变化。即使同一型号、同一批次的IGBT并联，一般也要求并联器件应当在散热器上相互接近的位置安放，利用冷却设计保持并联器件有一样的底盘温度。通常，较好的设计都会维持不同器件间的底盘温度差小于15℃。通过IGBT的特性分析可以知道，其饱和压降在大电流和小电流呈现出正负不同的温度系数，实验分析表明，在较高结温下电流的平衡会好很多。例如，在1200V的IGBT并联实验中，电流不平衡的最坏情况从25℃时的15%降至125℃时的5%。

图6-2 IGBT的饱和压降曲线

需要指出，图6-2中的不同温度的饱和压降存在交点，在交点左侧饱和压降是负温度系数，交点右侧是正温度系数，正温度系数特性区域并联时易于自动均流。在IGBT的实际应用中，有时称其具有饱和压降正温度系数是指其交点很低。

图6-3中给出两个IGBT并联时电流的示意图，图6-4给出了这两个IGBT不同饱和压降曲线，其差异可以认为是器件本身的个体差异和器件的结温差异共同造成的。当器件并联时，它们具有相同的压降，图6-4中通过图示的方式给出相同的压降对应的器件流经电流的不同。

图6-3 两个IGBT并联示意图

图6-4 两个IGBT并 联后稳态电流示意图

量化分析稳态电流的不均衡程度，对于变换器的设计非常有帮助。实际上存在多种量化的估算方法，在此仅给出其中一种，来分析并联器件的稳态不均衡情况，以两个IGBT并联为例进行分析，即如图6-3所示的情况。两个IGBT电流分别为I_C+ΔI_C，I_C-ΔI_C，定义电流不均衡度为

x=ΔI_C/I_C （6-1）

当较大的电流I_C+ΔI_C达到其额定电流I_C0时，认为并联IGBT达到了额定状态，此时两只IGBT的电流分别为

定义并联器件总额定电流与完全均衡下的总额定电流比值y为

如果推广到n只IGBT并联，则有

上述具体推导不赘述。需要指出的是，在实际变换器设计计算中，不同电压等级的IGBT的并联电流不均衡度x存在差异，表6⁃2中是三菱电机公司给出其不同电压等级产品的并联电流不均衡度。

以上述的公式和参数来分析，则当4只1700V的IGBT并联时

表6⁃2 不同电压等级产品的并联电流不均衡度(www.daowen.com)

即4只1700V的IGBT并联，电流需要“降容”25%使用，4只器件当3只使用，而采用2只1700V的IGBT并联时电流“降容”17%。所以，并联器件越多，并联所损失的电流百分比越大，在实际应用中不推荐使用非常多数目的器件并联使用，这也给驱动电路和主电路的设计带来非常大的麻烦。

进一步来分析并联IGBT的动态电流不均衡。在稳态电流不均衡中起到非常大作用的器件饱和压降对器件开通和关断过程的动态电流不均衡没有影响，参见表6-1。在动态电流不均衡影响因素中，驱动电路、主电路和器件结温的差异影响明显。仍以两并联IGBT的分析为例，可以通过以下几种具体情况分析动态电流不均衡的原因。

1）主电路中负载侧电路的差异。这种差异主要表现为负载侧连接线的接头位置不合理而造成的并联器件相对于负载电路的电感不对称，其示意图如图6-5所示，典型的由负载不对称连接造成的不平衡电流波形如图6-6所示。实验分析表明，主电路负载支路的位置不对称也可能带来这种类型的不平衡。例如，机械连接点是对称的，负载支路与并联支路之间的位置不合适，它们之间的互感不对称仍会导致并联回路中的等效电感明显不同，从而造成并联器件中动态电流的不均衡。

图6-5 负载侧连接示意图

图6-6 典型的由不对称负载 导致的电流不平衡

2）主电路中直流母线侧电路的差异。在电压型变换器中，直流母线一般都采用层叠母线结构，这种紧密的结构有助于降低器件的开关应力。此时，直流母线与并联器件的连接部分的尺寸通常非常小（因为大尺寸的连接结构会损失层叠母线的优点），这对直流母线侧的对称设计会增加一些难度。直流母线侧电路的差异示意图如图6-7所示，而导致器件开通时的电流不均衡情况如图6-8所示。

图6-7 直流母线侧连接示意图

图6-8 典型的由非对称直流母 线导致的电流不平衡

3）驱动电路的差异。驱动电路的差异主要表现为驱动电路输出阻抗的差异和IGBT门极连线阻抗的差异，这两个差异都会影响到器件的开通、关断时刻和速度。一个典型的两只IGBT并联的驱动电路如图6-9所示，一般的栅极电阻越大，栅极连线的阻抗越大，则并联电流的动态电流不均衡度越大，图6-10中给出典型的由于不恰当栅极驱动导致关断时的电流不平衡波形，而其在开通时的波形与图6-8波形相似。

图6-9 栅极驱动电路

图6-10 典型的由于驱动差异 导致的关断时电流不平衡

降低驱动电路的差异，降低并联器件动态电流不均衡度，可以从以下几个方面入手：

1）每个并联模块使用同一个驱动级和各自独立的R_G，且R_G的阻值要足够小，一般不能大于数据手册中给出推荐值的3～5倍。

2）驱动电路到IGBT发射极和栅极的连线要求温度系数低、阻抗小。一般将其直接连在印制电路板上，或者使用相同长度的短紧密绞合线进行连接。

3）尽量避免栅极连线与主电路电流平行，以避免栅极驱动电感耦合引入干扰。

4）器件温度的差异。器件温度的差异表现为两并联IGBT的结温不同，它可以引起器件特性的明显变化。

在实际应用中，并联器件的动态电流不均衡分析中很难去严格区分出不同因素的影响，往往是主电路、驱动电路和器件温度等差异的作用效果混合在一起。在一个使用1200V/450A的IGBT两并联变换器中，主电路具有良好的对称性，驱动电路存在细微的差异，当两器件的温度差在12℃时，并联器件的关断电流实验波形如图6-11a所示，而温度差为30℃的情况如图6-11b所示。可以看出器件温度的差异增加，会使稳、动态电流不均衡有明显的放大作用。

图6-11 器件温度差不同时的动态电流不均衡

在传统的电力电子变换器应用中，存在一些通过外电路施加的提高并联器件稳、动态电流均衡的方法，其中一种简单的方法是给每个器件串接一个电阻，不过功率损耗会显著增加。另一种方案是给每个器件串接电抗。如图6-12所示，每个IGBT模块都通过均流电抗与其他IGBT相连。这种方案的缺点是造价高，并且使得系统的质量和体积增大。这两种方式在现代的基于高性能全控器件的大容量变换器应用中已经很少采用。

图6-12 通过均流 电抗器的并联方式