英飛凌實(shí)現(xiàn)4個(gè)6毫歐的碳化硅模塊的并聯(lián)方案解析

以對(duì)稱的布板設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)4個(gè)6毫歐的碳化硅模塊的并聯(lián)，給出了實(shí)際的測(cè)量結(jié)果。最后還通過(guò)門特卡羅分析來(lái)演繹批量器件應(yīng)用在并聯(lián)場(chǎng)合下的溫度偏差。由此可以看出碳化硅MOSFET并聯(lián)使用的可行性。

用硅IGBT的工程師們很多曾經(jīng)有過(guò)并聯(lián)器件的使用經(jīng)歷，它不僅能降低成本還能減小整體系統(tǒng)分布電感。那么對(duì)于新一代的半導(dǎo)體器件SiC而言，是否一樣可以并聯(lián)使用呢？以下就以4個(gè)英飛凌6mohm的SiC模塊的硬并聯(lián)為例，來(lái)一起看看實(shí)現(xiàn)的可行性。

任何的同一料號(hào)開關(guān)器件并聯(lián)，均流總是最重要的目的，這關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的最終功率等級(jí)，所以如何做到均流就會(huì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。一般我們會(huì)按動(dòng)態(tài)均流和靜態(tài)均流分別討論它。動(dòng)態(tài)均流和系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系，包括門極驅(qū)動(dòng)，母排結(jié)構(gòu)，PCB布線，甚至功率器件和負(fù)載擺放的位置都會(huì)影響均流效果。而靜態(tài)均流和器件本身以及結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)關(guān)系密切，得益于如今市場(chǎng)上大部分的功率半導(dǎo)體是正溫度系數(shù)的，所以靜態(tài)均流比較容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)器件批次的參數(shù)差異要求不多，文章最后會(huì)給出蒙特卡洛分析來(lái)評(píng)估。

首先我們來(lái)討論一下整體結(jié)構(gòu)。由于要實(shí)現(xiàn)最小的電流回路，整個(gè)系統(tǒng)做成了分開的主功率板和驅(qū)動(dòng)電路板，用接插針來(lái)連結(jié)兩塊板子，如圖1所示。這樣的好處是4路驅(qū)動(dòng)到4個(gè)并聯(lián)模塊的距離相等。再來(lái)看一下主功率板的布局如圖2。用多層PCB來(lái)實(shí)現(xiàn)多層母線的結(jié)構(gòu)，這樣的雜散電感很小，每路只有大約19nH，4個(gè)并聯(lián)后總的雜散電感不超過(guò)5nH。可以看到整個(gè)主功率板超級(jí)對(duì)稱，這對(duì)并聯(lián)應(yīng)用是最重要的，沒有之一。如果看不清楚，沒關(guān)系，請(qǐng)參考圖3單路的高清放大圖，上排的孔是用來(lái)套超細(xì)柔性探頭測(cè)橋臂電流；下排的孔是留來(lái)測(cè)負(fù)載電流的。這些孔在實(shí)驗(yàn)階段很好用，當(dāng)然在正式的設(shè)備量產(chǎn)板上是要去掉的，去掉后母排疊層區(qū)域面積變大，系統(tǒng)的雜散電感會(huì)進(jìn)一步減小的。

圖1.雙層結(jié)構(gòu)的電路設(shè)計(jì)

圖2.主功率板的布局

圖3.單個(gè)主回路

圖4.模塊管腳布局

圖5.門極驅(qū)動(dòng)的樹形結(jié)構(gòu)

這么對(duì)稱的母排和驅(qū)動(dòng)，實(shí)際測(cè)量中均流到底好不好呢？接下來(lái)，讓我們一起見證一下結(jié)果。需要說(shuō)明的是測(cè)試所用的雙脈沖測(cè)試電路結(jié)構(gòu)是全橋的，并非常規(guī)用的半橋模式，原理如圖6。如此做的好處是可以減小半橋測(cè)試時(shí)負(fù)載電感對(duì)回路的電磁場(chǎng)影響。各個(gè)器件的門極信號(hào)給定也在圖中有顯示。由于SiC器件的體二極管導(dǎo)通壓降大且偏差也大，所以在續(xù)流是可以使用同步整流模式，但要留出一定的死區(qū)時(shí)間，對(duì)SiC器件而言一般不超過(guò)1us。

圖7是單個(gè)模塊左右兩側(cè)的負(fù)載電流，可以看出兩者的均流度非常好。我們不僅要對(duì)每個(gè)模塊的左右電流均流度進(jìn)行確認(rèn)，還要對(duì)不同模塊同一側(cè)電流進(jìn)行比較，這樣能保證器件并聯(lián)后達(dá)到最大的輸出電流。圖8和圖9分別是4個(gè)并聯(lián)模塊的開通和關(guān)斷電流，上升和下降的斜率一致性非常高，而且沒有什么振蕩。改變溫度，母線電壓和門極電阻后，均流的趨勢(shì)幾乎是一樣的。

圖6.全橋雙脈沖測(cè)試

圖7.單個(gè)模塊左右兩側(cè)的負(fù)載電流

圖8.開通電流

圖9.關(guān)斷電流

以上的這些測(cè)試結(jié)果都是針對(duì)數(shù)量有限的模塊的，那么對(duì)于批量的產(chǎn)品而言，均流又怎樣呢？最后，祭出了蒙特卡洛來(lái)進(jìn)行熱分析。這個(gè)理論簡(jiǎn)單地說(shuō)就是反復(fù)地隨機(jī)取樣，以得到最終事件概率。圖10所示，用在本次模塊并聯(lián)分析中就是從一個(gè)50000個(gè)不同損耗的樣本庫(kù)中，隨機(jī)抽出4個(gè)進(jìn)行組合，然后進(jìn)行電流與溫度的迭代，獲得該組并聯(lián)時(shí)的溫度差。多次重復(fù)進(jìn)行這樣的隨機(jī)抽取，把所有的溫度差按出現(xiàn)的次數(shù)繪成柱狀圖就是圖11。

圖10.蒙特卡洛過(guò)程

圖11.并聯(lián)溫度偏差

結(jié)束語(yǔ)

SiC器件的并聯(lián)肯定是可行的，但最最關(guān)鍵的一個(gè)詞就是“對(duì)稱”。“對(duì)稱”能從根本上解決各類振蕩和不均流問(wèn)題。另外，使用同步整流還有助于續(xù)流時(shí)的均流，特別對(duì)二極管損耗占比偏高的應(yīng)用大益。

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