分立器件并联型叠层母排均流分析及优化设计_於少林.pdf

2023 年4 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.8 第 38 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220871 分立器件并联型叠层母排均流分析及优化设计 於少林1 张 兴1 王佳宁1,2 周伟男1 黄耀东1（1.可再生能源接入电网技术国家地方联合工程实验室（合肥工业大学）合肥 230009 2.合肥综合性国家科学中心能源研究院 合肥 230088）摘要 并联应用 SiC MOSFET 是一种适应大功率变流场景的有效方案，但是容易出现器件电流不均衡现象。该文根据一款分立器件并联型逆变器出现的静态不均流问题，在建立的寄生参数模型基础上分析寄生参数差异性对于并联均流的影响，指出影响静态均流的关键因素。同时分析交流母排汇流点位置对于静态寄生参数的影响，提出一种定位真实汇流点的方法，从而可以准确提取静态寄生参数。最后探究路径间的耦合效应对于等效寄生电感的影响，通过调整交流母排汇流点匹配路径的自感和互感，实现等效寄生参数的均衡性。基于此，对该叠层母排进行优化设计，最终的实验结果表明，优化后的叠层母排极大地改善了静态均流，验证了该优化设计方案的有 效性。关键词：分立器件 并联型 叠层母排 寄生参数 中图分类号：TM46 0 引言 由于碳化硅（Silicon Carbide,SiC）晶元技术尚未很成熟，单个 SiC 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transi-stor,MOSFET）的载流能力较弱，为了适应大功率电能变换的应用场景，需要并联使用多个 SiC MOSFET1。多芯片并联大功率模块2-3、并联使用小功率模块4-5以及并联使用分立器件6-7是从器件类型角度来讲的三种常规方案。目前，相比于 SiC功率模块，TO247 封装形式的分立器件大多基于标准封装、工艺成熟、优良品率高且产量大。因此，在器件价格上，分立器件每安培的成本比模块小很多8-9。另外，分立器件并联型方案可通过增减并联器件数目实现功率的灵活扩展7。综上所述，围绕成本、器件资源以及功率灵活扩展性等角度，采用SiC 分立器件并联型方案搭建主电路具备一定优势。然而，器件在并联应用中会出现电流分配不均的现象10，包括开关瞬态中的动态电流不均衡，以及导通后的静态电流不均衡11。除了器件自身参数如通态电阻以及阈值电压存在的分散性12-13，外电路寄生参数的非对称设计也是影响器件均流的重要原因14-15。由于 SiC 功率器件具有更快的开关速度，其对外电路寄生参数将更为敏感16-17。随着器件封装技术的成熟，加之厂商的严格把控，同一批次器件的分散性不会很大。因此，聚焦于外电路的对称性设计，实现并联支路寄生参数的均衡，是确保分立器件并联均流的关键。在中大功率电力电子变流装置中，通常采用叠层母排作为母线电容和功率器件的互连载体，从而使主功率回路具备高电流承载能力、低回路寄生电感等优点18-20。目前已有大量文献对叠层母排的低电感结构进行了研究，主要聚焦在通过合理的结构设计21、器件布局22-23来实现较低的换流回路电感，从而降低器件关断时的电压应力。此外，也有文献针对电路拓扑在不同开关序列下的各换流回路寄生电感一致性问题，对母排结构进行设计，以提高各功率器件电压应力的均衡性24-25。对于器件并联应用中的叠层母排，其不合理的结构设计也会导致并联支路寄生参数的不对称，影响电流在并联器件中的均衡分配。文献26针对多芯片并联压接型绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,国家自然科学基金面上项目（52077051）、合肥综合性国家科学中心能源研究院重点培育项目（21KZS203）和高等学校创新引智计划项目（BP0719039）资助。收稿日期 2022-05-19 改稿日期 2022-06-23 第 38 卷第 8 期 於少林等 分立器件并联型叠层母排均流分析及优化设计 2087 IGBT），从磁场耦合角度研究了外部汇流母排对芯片并联均流的影响。文献27以两个 IGBT 并联模块为研究对象，从电路模型角度分析母排寄生电感对器件动态均流的影响，设计了一种能改善均流的交流母排结构。类似地，文献28-29分析了叠层母排寄生电感对并联 IGBT 模块均流影响，但母排结构以及整个分析过程相对简单。上述文献中的叠层母排结构均针对的是功率模块并联应用场景，而对于分立器件并联型叠层母排的研究却鲜有文献报道。另外，在变流装置实际运行过程中，主电路存在不同组合的开关状态，使得叠层母排表面存在着不同的电流路径，而母排的电感建模与电流路径有关。因此，叠层母排的寄生电感模型会随着不同开关状态而改变30。文献31针对一款分立器件并联型叠层母排，根据动静态过程的电流路径，建立了寄生参数模型，并测得该系统存在着较大的静态不均流情况。虽然该文献解决了分立器件并联型叠层母排寄生参数的精准建模问题，但没有进一步给出相关优化设计方法。实际上，由于并联器件各端子间存在多条电流路径，且路径间相互耦合，使得模型中存在着复杂的互感网络，进而会综合影响叠层母排的等效寄生参数。文献29指出了母排路径间的互感会影响等效电感，进而对于动态均流有着影响，但没有给出较为详细的分析以及优化设计方法。本文从优化分立器件并联型叠层母排结构入手，以提升并联器件的静态均流为目标。首先，分析叠层母排等效寄生参数在不同开关速度以及负载电感下对动静态均流的影响，指出影响静态均流的关键因素。接着，分析了交流母排汇流点位置对于静态寄生参数均衡性的影响，提出一种可以定位交流母排真实汇流点的方法，提高静态寄生参数的提取精度。最后，分析了路径间耦合效应对于等效寄生参数的影响，通过调整交流母排汇流点位置合理匹配路径的自感和互感，从而实现并联支路寄生参数的对称性。实验结果表明，优化后的叠层母排静态均流得到极大改善，验证了优化设计方案的准确性，为器件并联型叠层母排的设计提供有益支撑。1 分立器件并联型叠层母排的寄生参数模型 该分立器件并联型逆变器以及内部叠层母排结构如图 1a 所示，图 1b 为对应的电路拓扑，每个桥臂由 6 个 SiC 单管并联构成，图中，dHj、sHj分别为上桥臂器件的漏极和源极，dLj、sLj分别为下桥臂器件的漏极和源极，j 为并联支路编号。由于三相对称，以 W 相为例进行分析，图 2 给出了 W 相母排的详细结构以及电气连接形式。该母排有三层导电层，分别为正母排、交流母排以及负母排。正母排伸出端子与上桥臂 MOSFET 的漏极相连，交流母排两侧伸出端子与上桥臂的源极以及下桥臂的漏极相连，负母排伸出端子与下桥臂的源极相连。此外，正负母排在边侧伸出端子与电容模组相连，以此构成主功率单元的电气连接。（a）样机与叠层母排结构 （b）电路拓扑 图 1 基于分立器件并联型 SiC 逆变器 Fig.1 The SiC inverter based on the discrete devices in parallel 图 2 单相母排电气连接结构 Fig.2 The electric connection of the single-phase busbar 2088 电 工 技 术 学 报 2023 年 4 月 根据动静态过程中叠层母排各并联支路端子间的电流路径，文献31建立了该分立器件并联型叠层母排的寄生参数模型，如图 3 所示。在动态过程中，换流电流在正母排、交流母排以及负母排中形成回路，因此母排中的电流路径都对应着寄生参数。而在静态过程中，电流通过正母排（或负母排）以及交流母排流向负载侧，因此只对某桥臂进行寄生参数建模。所建立的动态过程中的寄生参数模型如图 3a 所示，静态过程中上桥臂的寄生参数模型如图3b 所示。图中，Lajaj、Lbjbj、Lcjcj、Ldjdj为支路在叠层母排各端子间的电流路径所对应的自感，Ma1b1、Ma1c1、Ma1d1等为路径间的耦合互感。为了清晰展现该电路模型，图中只标识出了路径 a1 与其他支路间的互感。寄生电阻标号方式与电感一致，不再赘述。（a）动态过程 （b）静态过程 图 3 叠层母排寄生参数建模 Fig.3 The modeling of the parasitic parameter model for the laminated busbar 文献31提出一种场路联合仿真方法可以从复杂寄生参数网络中提取出叠层母排各并联支路的等效寄生参数，从而用以评估并联均流。依据该方法，提取出的动、静过程中的寄生参数分别见表 1 和表 2。表 1 动态过程中的寄生参数 Tab.1 The parasitic parameters in the dynamic process 支路 LH/nH RH/m LL/nH RL/m 1 5.13 0.45 6.60 0.64 2 5.52 0.51 6.12 0.61 3 5.67 0.53 6.02 0.60 4 5.74 0.54 5.96 0.60 5 5.87 0.55 5.84 0.59 6 6.14 0.59 5.60 0.55 表 2 静态过程中的寄生参数 Tab.2 The parasitic parameters in the static process 支路 LH/nH RH/m LL/nH RL/m 1 103.2 3.51 106.8 3.2 2 99.0 3.37 96.6 3.1 3 93.3 3.10 93.7 2.8 4 86.5 2.70 89.04 2.4 5 79.3 2.21 83.14 1.8 6 72.2 1.67 75.30 1.2 表中，LH、LL分别为上、下桥臂总的等效寄生电感，RH、RL分别为上、下桥臂总的等效寄生电阻。可以看到，动态过程中上、下桥臂各支路寄生参数差异性非常小，而在静态过程中，则有较大差异。2 叠层母排寄生参数对并联均流的影响分析 在实际的电路运行中，由于动静态过程对应在叠层母排电流路径不相同，导致路径间的耦合关系不一样，最终反映在两个过程中的等效寄生参数不相同。但是对于电路仿真软件，很难实现基于同一仿真电路对动静态均流同时进行分析。因此，只能分别建立电路仿真模型进行评估。2.1 动态过程中的寄生参数对均流影响 首先以 2 管并联为例，分析动态过程中的寄生参数差异性对均流的影响。在 LTspice 中搭建双脉冲仿真电路如图 4 所示，Vdc为直流侧电压，Cdc为支撑电容，Vdrive为驱动电压，QHj为功率器件，其仿真模型可从 Wolfspeed 官网获得。VDj为续流二极管，Cfj为对应的结电容，Lload为负载电感，Ldynj、图 4 评估动态电流的仿真电路 Fig.4 The simulation circuit for evaluating the dynamic current 第 38 卷第 8 期 於少林等 分立器件并联型叠层母排均流分析及优化设计 2089 Rdynj为动态过程上桥臂各支路的等效寄生电感和电阻，LLj、RLj为下桥臂各支路的等效寄生电感和电阻。在分析上桥臂并联器件电流时，下桥臂节点 AC 和n 之间的两条支路可等效并联成单个支路，LL和 RL即为对应单个支路的寄生参数，VD 和 Cf即为等效后的续流二极管和结电容。开关波形示意图如图 5 所示。结合图 5 所示的开关过程，在 t0时刻之前上桥臂器件未开启，t0t1阶段为上桥臂漏极电流上升阶段，此时漏源极电压vdsj和电流 iHj可由式（1）表示，由于只分析外电路寄生参数，器件内部寄生参数不写入公式中。()HLdsdcFdyndyn HLL LdsHfsgsthdsdd()ddd()()djjjjjjjjjjjiivtVVLRiLR ittvitgvtVCt=+-|-+|（1）式中，VF为续流二极管的导通压降；gfsj为各器件跨导；vgsj为门极和源