PCIM2024論文摘要｜并聯(lián)SiC MOSFET的均流研究

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并聯(lián)SiC MOSFET面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn),包括電流不平衡、不同的熱性能、過電壓等。本文介紹了不同參數(shù)對并聯(lián)SiC MOSFET分流影響的理論分析和數(shù)學(xué)計算。提出了基于SPICE模型的Simetrix仿真,以研究不同參數(shù)對分流的影響。最后提出了驅(qū)動電路設(shè)計建議和柵極電阻設(shè)計方法。

導(dǎo)言

隨著市場和應(yīng)用的發(fā)展,高額定功率和高功率密度成為越來越重要的趨勢。目前，碳化硅(SiC)MOSFET因其低Rdson、低開關(guān)損耗、高導(dǎo)熱性、高開關(guān)頻率等特性，在不同應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢。先進(jìn)的半導(dǎo)體制造商，如英飛凌可以提供廣泛的SiC MOSFET模塊組合,以滿足高功率需求，擴(kuò)大SiC MOSFET的應(yīng)用范圍。同時，并聯(lián)式SiC MOSFET也因其靈活性而得到廣泛應(yīng)用。SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù),因此很容易并聯(lián)工作。

雖然存在正溫度系數(shù)，但當(dāng)SiC MOSFET并聯(lián)時，電流不平衡仍是主要挑戰(zhàn)。不平衡分為兩種：穩(wěn)態(tài)電流不平衡和動態(tài)電流不平衡。為了實現(xiàn)高可靠性，通常需要對MOSFET進(jìn)行輸出能力的降額，這將導(dǎo)致額外的成本。本文對不同參數(shù)對并聯(lián)SiC MOSFET電流分擔(dān)的影響進(jìn)行了理論分析和數(shù)學(xué)計算。并且根據(jù)仿真結(jié)果，提出了驅(qū)動電路設(shè)計建議和柵極電阻設(shè)計方法，以改善SiC MOSFET的并聯(lián)性能。

理論分析和計算

SiC MOSFET的器件參數(shù)和功率電路參數(shù)都會對SiC MOSFET并聯(lián)的分流性能產(chǎn)生影響。本節(jié)從理論上分析了不同參數(shù)對分流的影響。從計算過程中可以做出定性分析。表1根據(jù)重要性列出了對并聯(lián)SiC MOSFET分流有影響的參數(shù)。

表1.電流共享的有效參數(shù)

穩(wěn)態(tài)電流均流

由于功率半導(dǎo)體生產(chǎn)過程的復(fù)雜性,很難保證不同芯片的每個過程都完全相同。環(huán)境條件變化、時間變化或空間變化是工藝控制的主要波動。工藝參數(shù)的差異會直接導(dǎo)致芯片電氣參數(shù)出現(xiàn)一定的離散性。

SiC MOSFET導(dǎo)通電阻Rdson是影響穩(wěn)態(tài)電流均流的直接因素。不過，Rdson的正溫度系數(shù)可以在一定程度上改善初始穩(wěn)態(tài)電流差。

動態(tài)電流均流

動態(tài)分流受器件參數(shù)和電路參數(shù)的影響。閾值電壓Vgs-th、內(nèi)部柵極電阻Rg-in、電容Ciss、Crss和Coss以及跨導(dǎo)gfs都會對電流分擔(dān)產(chǎn)生影響。雜散電感,包括功率回路雜散電感Lsp和驅(qū)動器回路雜散電感Lsd,都對電流均流有影響。

直接影響動態(tài)電流均流。PCB布局、器件安裝、甚至空間位置都會導(dǎo)致電源環(huán)路和驅(qū)動器環(huán)路的雜散電感不同。瞬態(tài)過程中的雜散參數(shù)提取方法和雜散參數(shù)分析對于并聯(lián)應(yīng)用非常重要。

a.4引腳雜散參數(shù)

b.3引腳雜散參數(shù)

圖1.電路中的漏極雜散電感Ld、源極雜散電感Ls和驅(qū)動雜散電感Lsd參數(shù)計算將在論文全文中展示。