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大功率系统需要并联 IGBT来处理高达数十千瓦甚至数百千瓦的负载，并联器件可以是分立封装器件，也可以是组装在模块中的裸芯片。这样做可以获得更高的额定电流、改善散热，有时也是为了系统冗余。部件之间的工艺变化以及布局变化，会影响并联器件的静态和动态电流分配。系统设计工程师需要了解这些，才能设计出可靠的系统。
并联 IGBT 的应用中，首先要考虑均衡损耗。如果损耗不能均匀分担，器件之间的热差异将导致一些问题，可能使晶体管出现故障。不平衡来自两个方面。IGBT 内部的不平衡可以通过选择合适的器件来解决，IGBT 外部的不平衡可通过良好的系统设计来解决。本白皮书将探讨IGBT并联的技术要点，第一篇将介绍静态变化、动态变化、热系数。
Qdual3模块并联设计，如何成就创新工业应用？
从 IGBT 的静态角度来看，有两个参数非常重要。它们是第一象限工作期间 VCE（SAT）的变化和跨导的变化（见图 2 和图 3）。
VCE(SAT)是一个重要参数，控制着 IGBT 的导通损耗，导通损耗对总体损耗和器件的散热都有很大影响。VCE(SAT)通常在 25°C 和额定结温下给出，有时也会在其它温度下给出。一般情况下，25°C 时给出典型值和最大值，其他温度下只给出典型值。
跨导也因器件而异。该参数被定义为栅极电压变化时集电极电流的变化。它不是一个常数，数据手册中通常会显示一条典型曲线。从图 1 中可以看出，它会随温度变化而变化。跨导的变化等同于 VCE（SAT）的变化。
图 1. 典型 IGBT 传输特性 VGE = 20 V
IGBT 的 VCE(SAT)是计算静态变化时的主要参数，直接关系到晶体管的导通损耗。跨导通常只指定为典型值，因此不因器件不同而变化。VCE(SAT)通常是一定温度范围内的数值，也因器件不同而不同。大多数制造商只提供 25°C 时的典型值和最大值；然而，安森美（onsemi）提供了用于并联应用的 IGBT 的最小值和最大值。虽然最小 VCE(SAT)值对单个器件来说并不重要，但在并联应用时却非常有用，可以通过具体的应用场景来详细分析这种损耗。
需要注意的是，虽然尚未讨论温度系数，由于非穿通型 IGBT 具有正温度系数，当由于饱和电压较低的 IGBT 发热而出现温度不平衡时，VCE(SAT)的差异将降到最低。
另一个静态变化是反并联整流器的正向压降。在大多数硬开关应用中，二极管是传导第三象限电流所必需的。
图 2. IGBT 的第一象限导通
图 3. 二极管的第三象限导通
反并联二极管通常与 IGBT 共同封装，但在某些情况下也可以单独封装。如果 IGBT 是共封装器件，数据手册中会给出二极管的正向特性。有关变化的数据因器件而异。通常在电气特性部分给出典型值和最大值，在典型特性部分给出一组随温度变化的曲线。
损耗的动态成分包括开通损耗、关断损耗和二极管反向恢复损耗。栅极驱动电路可在一定程度上控制开通和关断损耗。栅极电压和驱动阻抗都是系统参数，可以通过改变这些参数来调节损耗。
集电极上升时间通常在 10 - 50 ns 之间，而下降时间通常比上升时间慢 3 - 8 倍。上升和下降时间受栅极驱动电平和阻抗的影响，因此，为了最小化不同器件之间开关速度的差异，在并联应用中确保所有器件的驱动信号一致是非常重要的。
为了尽可能匹配并联器件的开关速度，正确的布局技术至关重要。布局应尽可能对称，使寄生电感尽可能匹配。尽量减小发射极到地的阻抗和阻抗失配也非常重要。如果使用电流检测变压器，应将其连接在集电极路径上。使用电流检测电阻时，通常将其连接在发射极通路上，只要是无感电阻且布局保持平衡，就不会造成问题。
正确的布局还要求每个器件的热路径尽可能匹配，例如，不要将一个器件放在散热器的边缘，将另一个器件放在散热器的中心，尽可能将它们放在散热器的对称位置。
动态损耗的变化来自多个参数。芯片与芯片之间以及晶圆与晶圆之间的开关速度存在固有差异。此外，跨导方面的差异也会导致上升和下降时间的不同。这也可以被认为是 Vth 的差异，栅极电压位于跨导曲线的一个轴上。
除了前面讨论的发射极电感的变化外，栅极电感和电阻的任何变化都会导致栅极信号的不平衡。
热系数是并联 IGBT 时的一个重要参数。它必须是一个正系数，才能实现电流均衡。这就是图 1 中等温点上方的区域。较高的正热系数可实现更均衡的电流，但也会增加大电流时的损耗，因为 VCE(SAT)会随温度升高而增加。
负的热系数是不安全的。如果并联器件中的一个器件比其他器件都热，它的导电性会增强，通过它的电流越大，它的温度就会更高，如此循环。最好的情况是出现较大的热失衡，最坏的情况是器件可能会失效。
具体的跨导曲线是由所选的特定器件决定的；温度系数可以通过调整栅极驱动电压来改变，可以使工作点离等温点更近或更远。当然，改变栅极驱动电压也会影响VCE(SAT)和开关速度。
温度系数越高，导通期间的电流均衡就越好，但同时也会增加高功率时的功率损耗。正温度系数是安全并联运行所必需的。
数据手册上的跨导（或传输特性）曲线，提供了给定栅极驱动信号下集电极电流变化的信息。图 4 显示了 NGTB15N60S1ETG IGBT 的跨导曲线。
图 4. 从跨导曲线得出的温度系数
通过以图形方式，确定栅极电压为 9 V、9.8 V、11 V 和 12 V 时的电流，可以绘制出图 5。之所以选择 9.8 V，是因为它是温度系数为零的等温点。
图 5. NGTB15N60S1ETG 集电极电流温度系数
阻抗或 VCE(SAT)参数需要正温度系数。上图是电流变化曲线，该参数需要一个负的系数。这里的负温度系数表明，对于强制设置集电极-发射极电压，电流会随着温度的升高而减小，这正是良好的电流均衡所需要的。
从图 5 中可以看到，当栅极驱动电压高于 9.8 V 时，电流温度系数的斜率随着栅极电压的增加而增加，从而提供更好的电流均衡。
查看温度系数的另一种方法是绘制固定栅极电压下集电极-发射极电压与温度的关系图。IGBT 数据手册通常包含在高温、室温和低温极端条件下，各种栅极驱动电压下集电极电流与集电极发射极电压的曲线。
图 6. IGBT NGTB15N60S1ETG 的输出特性
图 6 是 NGTB15N60S1ETG IGBT 的其中一条曲线。该曲线的温度为 25°C。
利用这三条曲线的数据，可以绘制出不同栅极电压下VCE(SAT)随温度变化的曲线图（图 7）。该图显示了栅极驱动电压大于 9.8 V 时的正温度系数，而且斜率随着栅极电压的升高而增大。
图 7. NGTB15N60S1ETG 的 VCE 温度系数
从这一简化分析可以看出，保持栅极驱动电压远高于等温点至关重要。栅极电压越高，电流分配越均匀。
未完待续，更多技术要点，请关注后续推文。
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