IGBT并联技术四-硬并联风险

一、发射极环流现象:
在IGBT并联问题中，首先需要讨论的就是发射极环流问题，首先我们介绍一下这个现象。以并联的IGBT的上管为例，由于某一种或多种因素的不对称或不同步，造成桥臂的中点（A点和B点）在IGBT开通或关断瞬间会产生电位差。而驱动器的发射极是通过发射极电阻连在一起的，这样就会产生下图中红色路径所示的电流。我们把这个电流称为”发射极环流”。 上管开通时刻产生的发射极环流：
下图中，L为负载电感，绿线为D2，D4的续流电流。此时T1，T3同时给指令进行开通，D2，D4会发生反向恢复现象，假设T3领先于T1开通，则反向恢复电流会以图中的红线路径穿过Ls1和Ls2。而反向恢复电流的变化率是非常高的，斜率能达到1~3kA/us，在Ls1和Ls2上产生的电压使E3的电位比E1高。在双脉冲测试介绍的文档中得知，反向恢复电流分成前沿和后沿两部分，前沿切换成后沿时，杂散电感上的电压的方向会发生突变。此时E3-E1的电压的方向还有可能发生突变。实际情况比较复杂。 上管关断时刻产生的发射极环流：
下图中绿线是T1，T3稳态导通时的电流，此时T1，T3同时给指令进行关断，假设T3领先于T1关断，则Ls2上的电流首先突减，Ls2上会产生左负右正的电压，而Ls1要增加Ls2所减少的电流，出现了突增，会产生左正右负的电压。此时，E1比E3的电压高。
 Vge3上会叠加一个正压，T3关得更慢了；Vge1上会叠加一个负压，则T1会关得更快。这里引入了一个负反馈的效果，使关断速度收敛于同步。 下管开通时刻产生的发射极环流：
下图中 L为负载电感，绿线为D1，D3的续流电流。此时T2，T4同时给指令进行开通，D1，D3会发生反向恢复现象，假设T4领先于T2开通，则反向恢复电流会以图中的红线路径穿过Ls1和Ls2。E1的电压会比E3高一些，会出现发射极环流，电流穿过Re1和Re3，但是E3与E1间的环流并不影响T2和T4的开通行为。Ldc2与Ldc4是两个IGBT模块的直流母排杂散电感，当T4先开通，反向恢复电流穿过Ldc4，产生了上正下负的电动势。而Ldc2实际上也会产生相同方向的电动势，只是会晚些，因此E4的电动势会出现得比E2早，结果是E4的电压比E2高，Re2及Re4上会产生发射极环流。
因为反向恢复电流的斜率是会改变方向的，因此Ldc4与Ldc2上的电动势也是会改变方向的，且该电动势与Ldc2与Ldc4的数值有很大关系，因此没有稳定的结论。
大约可以确定：下管开通时刻的发射极环流现象要比上管风险低一些。 下管关断时刻产生的发射极环流：
下图中绿线是T2，T4稳态导通时的电流，此时T2，T4同时给指令进行关断，假设T4领先于T2关断，则Ls2上的电流首先突减，Ls2上会产生左正右负的电压，而Ls1则增加了Ls2所减少的电流，出现了突增，会产生左负右正的电压。此时，E3比E1的电压高。上管会产生发射极环流，但不影响T2，T4的关断行为。关断T4时，Ldc4上会产上电压，同理Ldc2也会产生电压，而E4与E2的电压差不太好确定，但是只要T4和T2不太同步，或者Ldc4与Ldc2差异较大，则E4与E2的压差会比较大。
也可以看出，Ldc2与Ldc4上的电压的方向是相同的。
大约可以确定：下管关断时刻的发射极环流现象要比上管风险低一些。 上下桥臂的发射极环流的差异及其本质：
在之前关于发射极环流的分析中，可以看出，上下桥臂在这个问题上实际上是有区别的。结论是，上管的风险比下管要高。其本质在于，上管IGBT的发射极电位与输出杂散电感相连，主电路的不对称或不同步会与驱动回路耦合在一起，而对下管IGBT而言，这种耦合要弱一些，因此上下管的发射极环流风险有区别。
结论是，上管的风险比下管要高。 发射极环流产生的原因：
发射极环流是由于功率发射极E1，E3之间存在电位差，而该电压差的产生则是因为有较高的di/dt流过Ls1和Ls3而在Ls1和Ls3上产生的。实际上，在IGBT稳态的时候，E1和E3是没有电压差的，但在T1,T3开通或者关断的时刻，会有换流发生，这时E1和E3会有很短的瞬间有电压差。大致可以认为：发射极环流是因为系统中的某种或多种不对称的因素导致的结果。
我们可以把E1和E3的电压差理解成一个冲击函数，f(x)=1(x)，出现的时间很短，且有一定幅值。 发射极环流的数学模型(1)：
下图是比较理想和简单的模型。一个冲击函数的激励源，这个源实际上是di/dt在Ls1，Ls2上感应出来的电动势，把它简化后串联在Ls1和Ls2中，当di/dt变为0后，激励源就消失了。这个源施加在两个发射极电阻上。可以看出，Re1，Re3，Ls1，Ls2构成了一个闭合回路，在IGBT开关的瞬间，等效于激励源发生激励，此时有电流穿过两个发射极电阻，两个电阻分别承担这个电动势。 发射极环流的数学模型(2)：
在IGBT硬并联时，我们还需要考虑IGBT芯片与散热器间的耦合电容，IGBT芯片的正上方是发射极的铝层，这个铝层隔着陶瓷基板与IGBT模块的铜基板间形成了耦合电容， 而电容的另一个极板是铝散热器，相当于T1和T3间有电容回路。
发射极环流的数学模型(3)：
在实际装置中，情况更复杂些。将门极回路中的杂散电感量，功率发射极与辅助发射极间的电感量也一并考虑进去，综合前两页的结果，得到左下图的模型。
1. 将门极驱动回路中的杂散电感Lg1和Lg3标注出来；
2. 将IGBT的功率发射极和辅助发射极之间的杂散电感也标注出来；
3. 将IGBT芯片与散热器的耦合电容Cjc1,Cjc3标注出来；
4. 接地标志表示其与铝散热器相连；