前言
IGBT模组采用平行连接产生的降额（de-rating）必要性，从绝缘栅双载子电晶体（IGBT）问世后就一直存在着。如果设计者欲尝试解决此问题，反而会陷入两难局面。过去有人提出包括统计计算法在内的数种解决方案，但尚未有人能回答以下关键问题：如果采用低于最坏状况假设法建议的降额幅度，装置规格限值被超过的机率为何？若采用例如Infineon所采取的蒙地卡罗（Monte-Carl）模拟法，或许可以提供这方面的资讯。
先前使用方法：最坏状况分析法
并联切换IGBT模组的参数变化，会导致各模组电流不平衡，造成模组间的温度差异。现在问题是与单一模组操作比较下，并联模组可以用到什么程度。
先前如从规格数据中采最大数的最坏状况假设法，到头来得出的降额因子数据，显示并联法根本有问题。
下面范例显示5个FF200R12KT3模组并联，总电流量700A下所得出的不平均DC电流计算结果，如图一所示。每个模组的环境参数为：UDC= 600V、IRMS=140A、fMotor=50HZ、fsw= 6500Hz、?P cos￡p= 0.9?C
| 《图一 5个并联的FF200R12KT3模块示意图》 |
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假如所有模组都完全依照原厂规格数据中的静态与动态参数，那么计算出的操作温度为TJ=114°C。在饱和电压下且全部模组参数皆使其达最高规格限值，接面温度将从8°C提高到122°C。下面我们进行所谓最坏状况假设法。
其中一个模组（sort1）供给标准饱和电压，其他四个模组（sort2）供予最大规格限值，如图二所示。
采标准饱和电压模组（sort2）的电流量为197A。在切换状态下最高接面温度超过 10°C达到135°C，模组在大规格限值下的电流量为126A，接面温度为119°C。根据实际结果显示，最坏状况假设下的并联结果刚好等于可能的过量降额，但是否有其必要？机率又有多大？我们试着用以下方式解答。
蒙地卡罗法（Monte-Carlo method）
蒙地卡罗法提供观察装置作用的可能性、采取大范围样本得出的变异统计量。这个方法的操作原理是随机乱数，可透过如俄罗斯罗盘法来取得数值。例如Infineon的蒙地卡罗模拟工具可替n个并联模组中任一模组产生一组参数，如图三所示。
若按步骤来说蒙地卡罗法模拟的基本程序为：
- ●第一步随机选择接通状态电压来计算分到的电流值；
- ●接下来的模拟步骤是程式在每个模组计算出的电流上，加上切换产生的损耗值；
- ●然后将模组的Rth乘以计算出的损耗电流，得出接面温度值；
- ●最后一个步骤是调整通态电压与切换损耗电流的比率，使其结果符合先前计算的接面温度值。
蒙地卡罗模拟法重复上述四个步骤,直到每个模组的接面温度趋于一致为止。图四的流程图说明随机模组组态损耗计算程序:
| 《图四 随机模块组态损耗计算原理流程图》 - BigPic:707x320 |
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上述程序用于每个计算出的模组组态，透过这种反覆的方式，得出所有参数对应的温度值。
参数变异
有几项参数与其分配必须纳入考量，方能让模拟出的数据更接近真实状况。对于非平衡电流，VCEsat数值是适合的输入参数。 VCEsat的变异值可从100％最终测试数据中完整获得。一颗1200V IGBT3 晶片饱和电压的标准直方图，如图二所示。并联模组之间温度差异的肇因是切换动作的不平衡所致，事实上有两个主要原因造成电流不对称，首先是晶片参数变化，例如输入阻抗VGEth，另一方面则是系统参数变化，例如闸极驱动级的变化。
从实验室测试数据来看，接通（turn-on）与断路（turn-off）损耗值的标准差是标准数值的 5～7％。
除了断路损耗值的变化外，Eoff与VCEsat之间还存在着此消彼长的关系；饱和电压越低，IGBT晶片的断路损耗就越高，反之亦然。这种反比关系式也存在于蒙地卡罗模拟工具中。
如同前述，系统参数变化也会影响到接通损耗，闸极驱动级的变化如牵动晶片参数变化时，就必须将其纳入考量。这有可能是光耦合子的延迟或渡越时间发生变化，或是闸极驱动级输入阻抗产生改变所致。
在许多案例中，系统在设置时各项参数若失衡，会造成统计数值的变异。这些失衡有可能源自电流路径中的不对称电阻或不对称寄生状态，尤其是杂散电感。
使用蒙地卡罗模拟法，若要得到正确的结果，最重要的一点是从真实设置环境中，取得所有系统化失衡的数据。若获得或知道愈多的设置参数，往后的ppm报告也就会愈精确。
模拟结果
模拟后可得出装置电流与接面温度的分布函数。底下直方图显示5组并联的FF200R12KT3模组，在执行4万次蒙地卡罗模拟运算后的结果。第一个直方图如图五所示，显示5个模组中出现的最高温度，图六则显示5个模组全部的盒状图，并且标示最高温度分布状况。
PPM 报告
从模拟结果我们可推出答案如下。超出上限接面温度组态的ppm比率，可协助客户选择适合自己所需的模组。最高接面温度范例演算结果分布，则相当于对数常态分布，如图七所示。
有了这个函式与对应的标准差后，我们就有可能得出超出设定接面温度模组组态的ppm比率。
根据最初计算，我们有可能预测并联IGBT模组超出最高接面温度如TJ=125°C 0.6ppm。使用最坏状况计算出最高温度值刚好为135°C。
结论
并联IGBT模组使用蒙地卡罗模拟法，可以凭借随机模组参数与系统在设置时的失衡数据，计算出失衡电流、切换损耗与接面温度。然后再根据计算出的数值，算出超越最高接面温度的期待ppm比率值。
在本文的例子中，由最坏状况分析法仅可获得温度值135°C，而蒙地卡罗法却可获得更多的资讯。每百万个模组中，只有0.56个会超出IGBT的温度限值。这些报告支持电源转换电路研发人员，找出最适合的模组类型。
（本文作者均任职于Infineon Technologies AG英飞凌科技）
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