并行操作：电源模块参数的影响

　　模块操作期间的当前不平衡既可以是由平行功率模块的特性（例如不同的正向电压）以及功率转换器本身的设计引起的。电源模块的接口，例如DC和AC侧的电源连接，栅极驱动器的设计以及与电源模块的栅极驱动程序连接对并行连接的模块的静态和动态电流不平衡有影响。
　　图1显示了影响并联连接的功率模块性能的各种因素的概述。

　　在下面的图中，重点放在对平行连接功率模块中当前不平衡的IGBT和二极管特征的分析上。为了进行以下分析，考虑了统一的冷却条件。

　　图1。 影响并行连接的功率模块性能的因素。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供评估设置和测试样本

　　每个滚动库存制造商都有自己独特的转换器设计，因此对于半导体制造商来说，如果没有标准化的测试设置，则很难进行代表性的电源模块分析。在Horizo??n 2020项目“ Shift2Rail” [2]中讨论了这个困难。项目成员同意定义半导体供应商和电源转换器制造商之间的标准化界面，以讨论电源模块的除评。参考设置如图2所示。参考设置的目标之一是尽可能减少外部组件对当前平行连接功率模块的当前不平衡的影响。在直流侧，每个功率模块都有一个单独的DC链接电容器；交流电源连接是通过一个宽阔的母线建立的，该母线在模块下具有中央负载连接。仅使用一个中央门驱动器与低敏感界面板结合使用，以控制并行的模块。

　　图2。 用于并行评估的参考测试设置。本文初出现在 Bodo的Power Systems 杂志中。

　　选择参考测试设置以研究模块并联连接。 LV100软件包中的CM450DA-66X模块是代表性X系列功率模块，被选为正在测试的设备进行评估和分析。表1显示了带有硅芯片组和铝底板的X系列阵容。这些功率模块具有的X系列第7代，的芯片组，带有CSTBT（III）沟槽IGBT和RFC Diode。 IGBT和二极管芯片均具有在宽电流范围内向前电压的正温系数。如果温度不均匀分布在散热器上，则此功能对在操作过程中平行连接的模块之间的热平衡有益。集成到模块中的NTC温度传感器允许监视每个平行连接模块的温度。此外，XSeries的双重动力模块还使用了带有集成ALN陶瓷绝缘材料的新创新铝底板，即所谓的MCB（金属铸造直接粘结）底板。与常规结构相比，新的底板结构具有明显较小的连接到箱热电阻，这允许输出功率增加或降低工作连接温度。此外，三菱电气的X系列电源模块为苛刻的铁路应用提供了功能，例如住房材料的高CTI值，部分排放测量，高质量的控制和Traceability。

　　表1。LV/HV100  X系列阵容。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供功率模块参数和并行切换波形的相关性
　　为了研究不同的IGBT功率模块参数对当前共享的影响，已经测量了十对电源模块的平行连接。之后，进行线性回归分析以将波形和功率模块参数的特征相关联。
　　正在测试的设备为LV100软件包中的3.3 kV/450 A（CM450DA-66X）功率模块。这些设备在其电参数中显示自然分布。因此，收集器 - 发射极饱和电压范围从2.61 V到2.81 V，盖闸发器阈值电压范围从6.56 V到7.70 V，并且二极管向前电压范围从2.20 V到2.45V。在上交，关闭和反向恢复期间。
　　关闭切换分析
　　图3显示了两个示例性的关闭测量结果。当IGBT设备参数相似时，可以实现良好的电流共享。相反，在不同的功率模块参数的情况下，负载电流在功率模块之间不平等。
　　通过对十对的线性回归分析，可以确定IGBT功率模块参数与开关特性之间的相关性。发现稳态电流ΔIC的差异仅与收集器 - 发射极电压的差异相关。其他功率模块参数被发现无关紧要（确定系数<95％）。线性回归分析导致当前不平衡的以下关系。
　　转交换分析
　　图4显示了与两个并联连接的电源模块的交换波形。如果功率模块参数相似，则电流将在两个电源模块之间平均共享。但是，当功率模块不同时，电源模块之间的电流共享将是预期的。

　　发现电流共享与栅极发射极阈值电压差ΔVGE （Th）和互补自由轮二极管ΔVEC的正向电压差异相关。线性回归分析导致当前不平衡的以下关系。

　　（a）类似的设备参数

　　（b）不同的设备参数
　　图3。 示例性关闭波形（绿色：V GE 10V/p，蓝色：I C1 150A/p，黄色：I C2 150A/DIV，红色：V CE 500V/DIV，2.0 US/DIV）。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供（a）类似的设备参数

　　（b）不同的设备参数

　　图4。示例性的转式波形（绿色：V GE 10V/p，蓝色：I C1 300A/p，黄色：I C2 300A/DIV，红色：V CE 500V/p，2.0 US/DIV）。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供（a）类似的设备参数

　　（b）不同的设备参数
　　图5。 示例性逆回恢复波形（蓝色：I C1 300A/DIV，黄色：I C2 300A/DIV，红色：V CE 500V/DIV，2.0 US/DIV）。图像由Bodo的Power Systems 提供
　　二极管逆回恢复开关
　　二极管反向恢复的示例性切换结果如图5所示。同样，如果功率模块参数相似，则电流共享在两个功率模块之间平均。如果功率模块参数不同，则静电电流和峰值反恢复电流的差异变得可见。
　　线性回归分析表明，静电电流共享仅与二极管正向电压的差ΔVEC相关。发现其他功率模块参数并不重要。发现当前不平衡的以下关系。
　　取消计算的计算高达六倍
　　基于电流和能量的衍生因子，可以定义在两个以上模块的平行连接的情况下所需的降低。为此，将假定一个并行的模块之一具有特征（导致开关能量或电流），而所有其他模块都具有特性（导致开关能量或电流）。通过使用以下方程，可以计算出两个平行连接模块的收集器电流的衍生比作为示例。
　　参数n是并行连接的模块的数量。参数x是从两个平行连接的模块的测量中确定的不平衡比率（例如（根据（1）和（2）和（2）和（?ie/ieavg），根据（3））。如图6所示，可以定义对分组参数的除法依赖性。该图已经说明了回归分析确定的置信区间在衍生方面也非常有帮助多个功率模块的比率。

　　

　　图6。 收集器电流比率与正向电压差。图像由Bodo的Power Systems 提供

    图7。用于6倍平行连接的开关波形（条件：V cc = 1800V，I C = 2700A（450a）（每台设备450a），T j = 150°C，V ge = +15V / -9V，r g（ON） =2.7Ω，r g（off） =62Ω，c ge = 33nf）。图像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供结论

　　本文解释了一种研究功率模块参数对平行连接开关特性的影响的方法。对于每种开关类型，IGBT关闭，转交和二极管反向恢复，研究了不同设备参数的影响。仅考虑重要参数，提供了一个模型来计算任意设备参数的切换特性的差异。它显示了如何将结果传输到具有两个以上设备的并行连接。，在平行连接中的六个设备之间共享均匀的电流共享。开关波形证明，使用精心设计的转换器布局和良好的LV100模块，可以实现理想的电流共享。