英飞凌小课堂 | 电磁场对IGBT模块并联的影响（上）

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英飞凌IGBT模块        


　　电磁场EMC可以说是电力电子设计中比较让工程师头疼的话题了，因为看不见摸不着，也很难用仪器测出来。找本电磁学的书学学吧，一堆公式当时就让你晕过去。还是来听听英飞凌工程师用通俗的语言为我们讲解电磁场的问题吧，全都是学完立刻能用的上的干货噢。


　　并联是IGBT应用中很常见的一种玩法，尤其是大功率的变频器，例如风电，光伏，电力机车等，常见的原因有三种：

　　一类是受限制于现有IGBT模块电流等级无法满足变流器的要求，常见的例如集中式光伏逆变器需要两个1400A的IGBT模块(FF1400R12IP4)并联，电力机车变流器需要两个1500A的模块（FZ1500R33HE3）并联。这些变频器在当时设计时，FF1400R12IP4和FZ1500R33HE3都已经是当时同类封装最高电流等级的IGBT模块了，一个不够就来两个，有钱任性。

　　第二类是迫于市场竞争需要降低成本，使用更便宜的中小功率IGBT模块并联以替代大功率的IGBT模块，常见的就是风电和光伏变流器上用几个600A EconoDUAL3模块并联，以替代PrimePACK模块。家里穷咱得靠后天努力，公司穷客户穷只能靠提高设计难度了。

　　第三类是未来的模块化设计需求，要求IGBT模块统一型号，用不同数量IGBT模块并联的方式以满足不同的变流器电流等级。现在Infineon推出的XHP系列模块就是这个概念。波老师觉得，这就是当年玩乐高的孩子现在当上总工程师了，IGBT模块也要做成乐高来玩。

　　并联最基本的要求就是对称和一致，各种对称，母排铜排这些机械设计要对称，电流回路要对称，驱动电路要对称。。。

　　各种一致，电路延迟要一致，并联的IGBT模块饱和压降要一致，开关速度要一致。。。

　　可是你以为都对称了都一致了就可以设计出完美的并联系统了？

　　Mr.Blato would like to say:Too young!Too simple!Sometimes naive…

　　2017年纽伦堡的PICM，Infineon公司的Matthias Wissen博士发表了一篇论文，名字叫：Effects of influencing the individual leg inductance in case of paralleling modules on basis of XHP3 and EconoDUAL.

　　这个题目真是非常绕口晦涩，我大概意译一下吧，在XHP3和EconoDUAL模块在并联时各自模块的寄生电感会受到彼此的影响。。。没看懂吧？别急，等看完这篇文章你们就懂了。

　　在Matthias（简称小马）做XHP3两并联时，把两个模块紧挨着布置，如下图所示。

　　俯视图简化如下，A,B分别为两个XHP3模块型号为FF450R33T3E3,电压3300V，电流450A，半桥模块，红色蓝色为母排的正负端子。

　　AB两个模块的参数已经经过了挑选，一致性非常好。但是实际测试的时候这两个模块的电流就是不均衡，在下管做双脉冲测试时，左边的A模块在开通时尖峰电流始终比右边的B模块高。测试波形如下图。

　　小马同学实在想不明白咋回事，十分苦恼。。。

　　有一天他中午趴桌子上睡着了，梦见波拉图老师托梦给他，让他把AB两个样品调换了左右位置再试试。。。他醒来后赶紧去试了试，把B放到左边，A放到右边，上电，发脉冲，看示波器。。。

　　“纳尼？左边的B模块电流居然比右边的A模块大了！！？”小马不敢相信自己的眼睛，惊讶中居然说起了日语。。

　　小马这下更疑惑了。

　　“难道是电磁场搞的鬼！？”

　　“电磁场看不见摸不着，我要怎么证明是电磁场的原因呢？”

　　小马正在疑惑中，突然他隔壁座小明的山寨手机响了，手机铃声响彻全屋。。

　　这是黄立行刘若英唱的“分开旅行”。。。

　　小马突然灵光一现，想起了高中物理课学的安培定律，磁场的强度与距离成反比，为何不让AB两个模块分开旅行呢？

　　他把AB两个模块分开100mm测了一次，然后再分开到200mm又测了一次，如下图所示。

　　当AB紧贴在一起时，AB的电流尖峰相差了80A左右，而100mm时，相差缩小到20A左右，在200mm时，左右电流尖峰只相差了5A左右。

　　这个结果证明了，两个人感情出现问题了，可以试试分开去旅行，一个人去趟巴黎。。。

　　跑题了，我是说结果证明了两个并联模块的不均流基本上就是电磁场耦合的问题了。

　　我估计大部分人实验做到这一步就停止了，可是小马作为一家德国高科技半导体公司的资深研发工程师，怎么能就浅尝辄止呢？

　　这时他祭出了有限元分析这个大杀器，输入了各种关键的寄生参数以及一系列猛如虎的操作后，得到了母排和IGBT模块端子连接部位的电磁场磁力线分布图，就是下面这个图。

　　这个图是个切面图，你可以想象一下，从母排和IGBT的连接端子上切一刀下去，切面就是上面这个图。

　　红色是正母排端子，蓝色是负母线端子，所以电流从正端子流入，从负端子流出，在电流的周围就会产生如图中白色磁力线所示方向的磁场。

　　中间的两个正负端子，由于两边都挨着反向电流的端子，所以磁场间隙小磁力线被约束的比较紧密，学术用语叫做磁通密度比较大或磁阻比较大。而左右两侧的正负端子，它们悬空的一侧没有反向电流端子，因此磁场没有约束磁力线就比较稀了，也可以说磁通密度比较小或磁阻比较小。

　　导线的自感等于磁通匝链数除以电流，磁通匝链数又等于匝数乘以磁通，公式就是下面这样的。

　　因此母排的自感，也就是我们常说的杂散电感，是和磁阻成反比的，因此中间两个端子的杂散电感是小于外面两个端子的杂散电感的，即L1≈L4>L3≈L4

　　听了孙辉波工程师的讲解是不是对电磁场问题清晰一些了呢？还想了解更多？下一期孙辉波工程师还会为大家详细的分析开关过程，以及介绍如何改进设计才能解决这个并联不均流的问题。敬请期待我们下期的英飞凌小课堂噢！