Considerações sobre o uso do módulo IGBT para projeto em paralelo

Considerações de projeto para uso de módulos IGBT em paralelo

Devido ao alto custo de produção, o preço de um módulo IGBT de 1200 V acima de 400 A no mercado é elevado. Quanto ao módulo padrão de 1200 V, 200–400 A e 62 mm, devido à tecnologia e ao produto relativamente estáveis, à boa versatilidade e à facilidade de substituição, a forma mais econômica nesta fase é usar vários módulos IGBT padrão em paralelo para aumentar a capacidade de corrente. No entanto, devido à inconsistência dos parâmetros próprios dos IGBT e à possível assimetria causada pelo layout do circuito, usar módulos IGBT em paralelo não é uma tarefa simples. A seleção inadequada de componentes em paralelo pode facilmente danificar os dispositivos e as trilhas do sistema principal. Portanto, este artigo, com base na experiência bem-sucedida do departamento de aplicação junto ao cliente e nos equipamentos de teste da fábrica, propõe a importância do uso de módulos IGBT em paralelo no projeto.

Em geral, módulos acima de 100 A são compostos por vários chips em paralelo; embora os fabricantes possam usar chips do mesmo wafer para conectá-los em paralelo e reduzir a diferença de parâmetros do próprio módulo, ainda é preciso considerar as diferenças individuais entre os parâmetros resultantes do módulo. Ao mesmo tempo, a simetria do circuito é uma influência muito importante no paralelismo, que pode ser analisada sob dois aspectos: estático e dinâmico, a partir da diferença de parâmetros e da diferença de simetria do circuito.

Fatores que afetam o paralelismo e a distribuição média de corrente em módulos

Na utilização real, o estado de trabalho do módulo IGBT está principalmente na condução e na transição de comutação; a etapa de condução é relativamente longa e a corrente é grande. Esta seção tem grande impacto. Vamos começar pelo estado de condução estática.

1.1. As principais razões que afetam a distribuição média de corrente em paralelo do módulo são os 4 pontos a seguir

A) Efeito da queda de tensão de saturação Vce(sat)

b) Efeito da assimetria de impedância do circuito de potência em paralelo

c) Efeito da tensão de acionamento do terminal de gate Vge

d) Efeito da tensão de limiar de condução Vth

e) Efeito da queda de tensão de condução do diodo Vf

1) Problemas com diferentes Vce(sat) em paralelo:

Em muitos casos, a maioria das pessoas pensa que o Vce(sat) gerado pela corrente que passa pelo IGBT é um valor fixo, o que é um equívoco. Na verdade, Vce(sat) refere-se à queda de tensão gerada pela corrente nominal. Para o IGBT, a queda de tensão de condução é uma função da corrente com o mesmo Vge.

Para dois IGBT conectados em paralelo, a queda de tensão gerada pelo caminho positivo na abertura em regime permanente é igual. Assim, o equilíbrio da distribuição de corrente depende das diferenças nas características de saída dos vários IGBT em paralelo.

A Figura 1 mostra a diferença na distribuição de corrente de dois IGBT com diferentes características de saída em paralelo (o mesmo Vce dos dois IGBT em paralelo).

Figura 1: Situação do IGBT após a distribuição média de corrente em paralelo com diferentes características de saída

Figura 2: Diagrama esquemático da distribuição média de corrente em conexão paralela

Os V mostrados na Figura 1 T1 e VT2 são de dois modelos idênticos de IGBT em paralelo. A Figura 2 mostra que as características de saída dos dois IGBT são ligeiramente diferentes. iC1 e iC2 são, respectivamente, os coletores abaixo de VT1 e VT2, com a mesma queda de tensão no terminal (UCE1=UCE2), enquanto I indica a corrente nominal desse tipo de IGBT, e Vcesat1 e Vcesat2 representam a queda de tensão de saturação dos dois IGBT na corrente nominal. Pode-se aproximar que:

R1=（Vce sat 1-Vo1)/I         (1)

R2=（Vce sat 2-Vo2)/I         (2)

UCE1=Vo1+R1×iC1(3)

UCE2=Vo2+R2×iC2(4)

Quando conectados em paralelo, UCE1=UCE2=Uce, então:

iC1=（ Uce-Vo1 ）/R1=（ Uce-Vo1 ）×I/（Vcesat1-Vo1)

iC2=（Uce-Vo2）/R1=（Uce-Vo2） ×I/（Vcesat2-Vo2)

Como esses dois IGBT são do mesmo tipo, Vo1 Vo2 = Vo, então

Portanto, se a corrente de dois módulos IGBT em paralelo for I, a corrente dos dois módulos IGBT com diferentes Vce pode ser calculada da seguinte forma:

iC 1=（ Uce-V o1 ）/R 1=（ Uce-V o1 ）×I/（Vcesat 1-V o )=（Uce-V o ）×I/（Vcesat 1-V o ) iC 2=（Uc e-V o2）/R 1=（Uc e-V o2）×I/（Vc e s a t 2-V o2)=（Uc e-V o ）×I/（Vc e s a t 2-V o )

Tomemos como exemplo o mais comum GD200HFL120C2S:

Suponha um valor maior de Vcesat1 de 2,5 V (125 ℃) e um valor menor de Vcesat2 de 2,1 V (125 ℃),

Vo = 0,8 V

Assumindo um valor maior de Vcesat1 de 2,2 V e um valor menor de Vcesat1 de 2,1 V, consulte o manual de dados.

O Vo típico é = 0,8 V

Se a diferença de Vcesat for de 0,1 V, mesmo que a corrente de saída exigida pelo módulo em paralelo seja io = 200 A, a diferença de corrente do módulo IGBT inferior de outro Vce(sat) será de 6 A. Na prática, haverá mais perdas do que em outro módulo IGBT, embora o chip IGBT esteja em grande corrente.

Como possui coeficiente de temperatura positivo, quando dois módulos IGBT são ligados em paralelo, recomenda-se que a diferença entre Vce(sat) não exceda 0,2 V. Se isso for inevitável, recomenda-se deixar uma grande margem na temperatura em regime permanente para compensar.

2) Desbalanceamento de corrente causado pela assimetria de impedância do circuito de potência

Fig. 2 Efeito da impedância do circuito principal

Em geral, considera-se que a diferença na disposição em paralelo do barramento resultará na impedância do circuito. Portanto, se a diferença de Vce(sat) do módulo IGBT for inferior a 0,2 V, é preciso levar em conta a simetria da linha de barramento. Na verdade, o impacto dessa parte é relativamente pequeno; por exemplo, no circuito equivalente da Figura 2, RE1 e RE2 equivalem à ligação em série de dois resistores e ao ramo original de distribuição uniforme de corrente. Se a impedância for inconsistente, a distribuição uniforme de corrente também será inconsistente; por exemplo, se RE1 > RE2, então inevitavelmente haverá mais corrente no ramo RE2, causando desequilíbrio, e vice-versa. Tomando o GD200HFL120C2S como exemplo:

A corrente real exigida pelo módulo em paralelo é io = 200 A, cada módulo é na verdade de 100 A, e a queda de tensão no módulo real é Uce = 1,7 V

Supondo que a seção transversal do barramento de cobre seja de 410-5 m2, o comprimento da barra principal do módulo 1 seja de 0,8 m, o comprimento da barra principal do módulo 1 seja de 0,6 m e a taxa de resistência térmica a 30 ℃ seja de 1,810-8 Ω·m

Em comparação com a influência de Vce(sat), a influência da assimetria do circuito de potência é relativamente desnecessária em regime estático. No entanto, o barramento também introduz a indutância dos condutores, o que terá grande impacto na distribuição dinâmica da corrente, tema que será discutido mais adiante.

3) Influência da tensão de acionamento do gate Vge

A corrente IC que atravessa o módulo IGBT acionado pela tensão de gate Vge gera a queda de tensão de condução Vce, que não está relacionada apenas à corrente Ic que o atravessa, ao Vce(sat) mencionado acima, mas também está diretamente relacionada à tensão de acionamento do gate Vge.

Por outro lado, em diferentes tensões de acionamento Vge, com o mesmo Vce em paralelo, a corrente Ic que passa por ambos é naturalmente diferente.

Figura 3. Curva característica de saída do módulo IGBT

Pela Figura 3, podemos ver claramente que,

Assim, em Vge = 13 V, com Vce = 2,5 V, a corrente Ic é de 255 A

Assim, em Vge = 15 V, com Vce = 2,5 V, a corrente Ic é de 285 A

Portanto, o projeto do circuito de acionamento precisa receber muita atenção, e é indispensável garantir a tensão de acionamento do módulo em paralelo.

É importante enfatizar que a tensão de gate Vge discutida acima refere-se aos dois terminais do gate do IGBT, e não à tensão de saída da placa de acionamento; clientes desatentos costumam cometer esse erro. Como se pode ver na Figura 4, há uma resistência de gate entre o chip de acionamento e o terminal de gate do IGBT, e a conexão elétrica do chip de acionamento ao gate do IGBT — o fio de gate da máquina, normalmente visível no equipamento —, bem como a diferença de parâmetros entre o componente de acionamento e o fio de gate, serão comparadas no instante de abertura e fechamento

evidente, o que fará com que a tensão adicionada ao gate do IGBT e a tensão de saída fiquem inconsistentes. Isso não será um problema em regime permanente, porque o gate pertence a um estado de alta resistência.

Figura 4 Diagrama esquemático do driver do módulo

4) Efeito da tensão de abertura, Vth

Como a tensão aplicada pelo circuito de acionamento ao gate é um processo que vai da tensão negativa até a tensão positiva aplicada (se houver desligamento por tensão negativa), a corrente I não pode fluir pelo módulo antes da tensão de gate Vth. Assim, o IGBT com menor Vge(th) abrirá mais cedo e desligará mais tarde. Como esse efeito ocorre principalmente no momento de abertura e, pela curva característica de transferência da Figura 4, sabe-se que a corrente Ic é muito pequena quando a tensão de acionamento é Vth, em geral a diferença de Vth entre módulos do mesmo tipo fica dentro de 0,5 V; portanto, o efeito da tensão de abertura Vth é relativamente fraco.

5 Características de transferência do módulo IGBT

5) Efeito da Vf do diodo

Em inversores e outras aplicações, o diodo antiparalelo do módulo IGBT precisa suportar grande corrente. O efeito da Vf do diodo sobre o compartilhamento de corrente é exatamente o mesmo que o efeito de Vce(sat) sobre o compartilhamento de corrente, sendo o IGBT afetado por Vce(sat) e pela Vf do diodo.

R1=（Vf-Vo1)/I R2=（Vf-Vo2)/I Uf1=Vo1+R1×if1Uf2=Vo2+R2×if2

(1)

(2)

(3)

(4)

Quando Uf1=Uf2=Uf estiverem ligados em paralelo, então

iC1=（Uf-Vo1）/R1=（Uf-Vo1）×I/（Vf1-Vo1)

iC2=（ Uf-Vo2）/R1=（ Uf-Vo2） ×I/（Vf2-Vo2)

Como esses dois diodos são do mesmo tipo, Vo1 Vo2 =Vo

Portanto, se a corrente de dois módulos IGBT em paralelo for I, a corrente de dois módulos IGBT com Vce diferentes pode ser calculada da seguinte forma:

iC1=（ Uf-Vo1 ）/R1=（ Uf-Vo1 ）×I/（Vf1-Vo1)=（ Uf-Vo ） ×I/（Vf1-Vo) iC12=(Uf-Vo2) / R2= (Uf-Vo2) I / (Vf2-Vo2) = (Uf-Vo) I / (Vf2-Vo) O módulo comum de 150A é do tipo colunar,

Supondo que o valor maior de Vf seja 2,2 V e o menor valor de Vf seja 2,1 V, o Vo típico encontrado no manual de dados é = 1,3 V

Fatores que afetam o fluxo dinâmico em paralelo

As principais razões que afetam a corrente média dinâmica paralela dos módulos são os 3 pontos a seguir

A) Parâmetros dinâmicos do próprio IGBT

b) Indutância parasita do circuito de acionamento

c) Indutância parasita do circuito de potência

1) Distribuição desigual causada pelos próprios parâmetros do IGBT

O principal fator que afeta o equilíbrio de corrente no momento da comutação são as características de transferência do dispositivo em paralelo.

Figura 3. Comparação das características de transferência dos módulos em paralelo

Diagrama comparativo das propriedades de dois módulos em paralelo com características de transferência inconsistentes mostradas na Figura 3. Na FIG. 3, quando a mesma tensão de acionamento V é aplicada ao módulo em paralelo GEWhen, o módulo IGBT mais íngreme suportará mais corrente, e a perda de comutação também se tornará maior.2) Parasitismo do circuito de acionamento e desvio desigual causado pela indutância

Combinado com a capacitância parasita no nível do gate do IGBT, a indutância parasita do circuito de acionamento pode causar oscilações severas, provocando flutuações na tensão do gate. A indutância parasita do emissor pode causar variação no grau de comutação.

O circuito de acionamento do gate do IGBT RG, a indutância dos condutores LGLE,, e a capacitância de entrada do IGBT Cin O processo de abertura e comutação é uma resposta típica de um circuito série RLC. Na Figura 4, o resistor R corresponde a RG, L corresponde ao indutor LG+LE, e o capacitor C corresponde ao capacitor de entrada Cin.