功率器件的并联均流研究_唐伟峰.pdf

电气传动 2023年 第53卷 第3期ELECTRIC DRIVE 2023 Vol.53 No.3摘要：在新能源汽车的电机控制器中，由于现有模块电流能力不够、成本过高、散热能力有限，常常使用多个功率器件并联，以提高电动汽车应用的功率逆变器载流能力。器件参数的公差、PCB布局不对称导致的寄生参数不一致以及散热器的冷却效果导致的热量堆积，都会导致电流不均衡现象。首先对电流不平衡的原因进行了概述，提出均流系数作为电流平衡的标准。给出了基于热阻的导通电阻模型，分析并联器件静态均流的影响因素。基于可变电阻区的电压电流曲线，分析了并联器件动态均流的影响因素。通过PSPICE建模分析了寄生电感对动态均流的影响，分析了参数差异对电流平衡的的影响，针对不同的参数差异，提出了不同的优化方法。最后分析了电磁兼容问题对均流特性的影响，给出驱动电路的设计建议，并对栅极电压波形的优化效果进行了仿真验证。关键词：功率器件；并联；电流平衡；寄生参数中图分类号：TM28文献标识码：ADOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24454Research on Current Sharing of Parallel Power DevicesTANG Weifeng，WANG Changjiang（School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250014，Shandong，China）Abstract:In the motor controller of new energy vehicles，due to insufficient current capacity，high cost，andlimited heat dissipation capacity，parallel power devices are often used to extend current capability of power inverter forEV applications.Current imbalance can be caused by device parameter tolerances，parasitic parameter inconsistenciesdue to asymmetric PCB layout，and heat accumulation due to the cooling effect of the heat sink.Firstly，the causes ofcurrent imbalance were summarized，and the current sharing coefficient，that is the unbalance ratio，was put forward asthe measuring standard of current balance.The conduction resistance model based on thermal resistance waspresented，and the influencing factors of steady current balance of parallel devices were analyzed.Then，based on thevoltage and current curves in the variable resistance region，the influencing factors of dynamic current balance ofparallel devices were analyzed.The effect of parasitic inductance on dynamic current balance was analyzed by PSPICEsimulation，and the influence of parameter difference on current balance was analyzed.Different optimization methodswere proposed for different parameter differences.Finally，the influence of EMI on the current sharing characteristicswas analyzed，and the design of the drive circuit was suggested，and the optimization effect of the gate voltage waveformwas verified in the simulation.Key words:power devices；parallel；current sharing；parasitics parameter作者简介：唐伟峰（1998），男，硕士研究生，Email：通讯作者：王长江（1965），男，博士，教授，Email：功率器件的并联均流研究唐伟峰，王长江（山东大学 电气工程学院，山东 济南 250014）唐伟峰，等分立器件并联工作时，由于器件本身的参数、结温差异或PCB布局的不对称，各支路的电流不可能完全一致。不均衡的电流使器件产生了不对等的损耗和电压、电流应力，在最薄弱的器件上容易形成更高的过冲应力，威胁器件安全。对于并联均流问题，已有很多文献对其影响因素和解决方案进行了研究。文献1提出了一种器件的筛选办法，以降低参数分散性的影响。文献2-5对杂散电感引起的动态电流不均进行了分析，使用耦合电感法、对称布局法，对均流起到了很好的效果。文献6-7讨论了温度对电流分布不均的影响，从散热设计的角度入手，通过提高散热系统的散热能力，对电流不平衡导致的发热进行有效控制。文献8通过改进栅极驱动电路的设计，讨论了良好布局的重要性，并分析了电缆耦合对均流的影响。文献9提出了一种15唐伟峰，等：功率器件的并联均流研究电气传动 2023年 第53卷 第3期主动的驱动电压控制方法，对开关过程中的电流不均衡可以起到很好的抑制作用。文献10-11对驱动信号延迟法、可变电压法和外加电感法几种方案进行了仿真和实验，对其均流效果进行了对比。文献12-13提出了栅极电阻补偿法，对器件开关的动态均流起到了良好的效果。文献14通过添加源极电阻电感来对阈值电压引起的不均流起到平衡效果。对多器件并联的分析，通常是基于恒温度模型，很少考虑到环境温度和散热条件的影响，在实际的工况下，温度对器件参数的影响不容忽视。本文以热阻为衡量散热器性能的参数，首先建立了多个器件并联的数学模型，从器件本身参数分散性、寄生参数以及散热性能入手，分析了并联均流的影响因素，并结合仿真对所提模型进行了验证。基于这些影响因素的分析结果，提出了几种有效的优化方法。最后对电磁兼容问题进行了分析，给出了抑制电磁干扰的建议。1并联均流的影响因素分析在实际情况下，影响电流平衡的因素主要有三类：1）器件自身的参数分散性；2）电路布局不对称导致的寄生参数差异；3）散热不平衡导致的热量堆积。研究并联均流的影响因素，如图1所示，假设有N条并联的支路，其中支路1为不平衡支路，其他N-1条支路设定完全相同。模型中的总电流可以表示为所有支路的电流之和：IS=ID1+(N-1)ID2（1）式中：N为并联的支路数量；IS为N条支路的总电流；ID1为支路1的漏源电流；ID2为其他各支路的漏源电流。假设各支路电流平衡，总电流可以表示为平衡电流之和：IS=NIB（2）式中：IB为各支路完全相同时的平衡电流。图1多器件并联模型Fig.1Multi-device parallel model在PSPICE中，搭建图1所示的仿真模型，仿真模型中共有N条并联支路，包含2N个器件，其中X1XN为被测器件，并联运行作为双脉冲测试电路的下桥。XN+1X2N作为上桥，通过栅极的反偏电压保持关断状态。L为负荷电感，LD1LDN为主回路布线引起的漏极寄生电感，LS1LSN为主回路布线引起的源极寄生电感，LG1LGN为驱动电路的寄生电感，RG为驱动电阻，VG为驱动电压，器件本身的导通电阻、阈值电压以及寄生参数包含在器件的PSPICE模型中。1.1导通电阻不匹配的影响导通状态下的器件，主要考虑导通电阻的影响，其电阻-温度特性可以视为一次函数：RN=RN_251+(T-25+I2DNRNJAN)K（3）化简后得到：RN=RN_25 K(T-25)+11-RN_25I2DNJANK（4）式中：RN为器件XN实际的导通电阻；RN_25为25 下器件XN的导通电阻；IDN为支路N的漏源电流；JAN为器件XN的热阻；T为环境温度；K为器件导通电阻的温度系数。并联器件上的电压相同，可以表示为ID1R1=ID2R2（5）将式（4）代入式（5）可以得到：K(T-25)+1 ID1R1_251-I2D1R1_25JA1K=K(T-25)+1 ID2R2_251-I2D2R2_25JA1K（6）联立式（1）、式（2），可以得到ID2的表达式：ID2=IBN-ID1N-1（7）将式（7）代入式（6）求解，得到ID1/IB的表达式：ID1IB=KJA2JA1-1R2_25JA1I2B+(1R2_25JA1I2B-KJA2JA1)2+4KR1_25JA1I2B/(2K)（8）式中：ID1/IB为均流系数，即：不平衡电流占平衡电流的比值，越趋近于1，均流效果越好。综上，当 R1_25=R2_25且 JA1=JA2时，ID1/IB=1，表示电流平衡；从式（8）中可以看出 R1_25与 ID1/IB呈负相关，因为R1_25的增大会直接导致R1增大，在漏源电压和其他支路电阻R2不变的情况下，R1的增大就会导致ID1/IB的降低。而随着IB的增大，ID1/16唐伟峰，等：功率器件的并联均流研究电气传动 2023年 第53卷 第3期IB会逐渐趋近于JA2/JA1，因为IB的增大相当于主回路总电流NIB增大，功率损耗随之升高，当IB足够大时，热阻JAN成为影响器件电阻的主要因素。JA1与 ID1/IB呈负相关，这是由于同样的功率损耗下，较大的JA1导致器件温度较高，载流子碰撞加剧，载流能力下降。基于图1的模型，验证式（8）的结论，N=5时，支路 1的导通电阻在 45 m 间均匀增大，支路25的导通电阻为4.5 m，其他参数均相同，得到不同导通电阻下的ID1与IB。如图2所示，随着导通电阻的增加，ID1逐渐减小。图2不同导通电阻时的电流Fig.2Current waveforms at different conduction resistance图 3 为 ID1/IB随 R1_25的变化情况。其他参数一致时，R1_25对ID1/IB的影响是反相关的，在R1_25=R2_25=4.5 m时，ID1/IB=1，电流达到平衡，结果与式（8）的分析相符。图3均流系数随导通电阻的变化Fig.3Variation of unbalance ratio with conduction resistance图4为导通电阻为4 m、5 m两种情况下，ID1/IB随IB的变化情况曲线图。随着IB的升高，ID1/IB逐渐趋近于1，与式（8）的分析相符。图5为ID1/IB随 JA1的变化情况曲线图。由图 5可知，JA1在0.51.5/W间均匀变化，JA2JA5取1/W，随着热阻JA1增加，ID1/IB降低，热阻和均流系数ID1/IB成反相关。各支路热阻相同时，电流达到平衡，与式（8）的分析相符。图4均流系数随平衡电流的变化Fig.4Variation of unbalance ratio with the balance current图5均流系数随热阻的变化Fig.5Variation of unbalance ratio with thermal resistance1.