大功率IGBT和SiC MOSFET的并聯(lián)設(shè)計(jì)方案

隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，對大功率半導(dǎo)體器件的需求日益增加。特別是在可再生能源領(lǐng)域，需要能夠承載巨大電流的功率器件。然而，由于生產(chǎn)成本、技術(shù)難度以及市場需求等因素的限制，單一的大功率半導(dǎo)體器件往往難以滿足這些應(yīng)用的需求。因此，大功率IGBT和SiCMOSFET的并聯(lián)設(shè)計(jì)成為了一種有效的解決方案。本文將介紹并聯(lián)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)，并推薦安森美(onsemi)的幾款相應(yīng)產(chǎn)品。

功率器件為什么需要并聯(lián)設(shè)計(jì)？

在光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的大功率場景中，功率器件需要承載極大的電流。但功率半導(dǎo)體廠商通常不生產(chǎn)額定電流較大的器件，原因是大尺寸芯片的生產(chǎn)良率低，市場需求不足，以及大電流芯片的封裝尺寸較大，還容易引發(fā)封裝翹曲度增加的問題。行業(yè)內(nèi)常用的方法是，并聯(lián)多個(gè)較小額定電流的器件，這樣不僅可以滿足大電流的需求，還可以降低導(dǎo)通損耗、提高效率和擴(kuò)展電流容量等。

但在并聯(lián)設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)面臨導(dǎo)通時(shí)不均流、開關(guān)時(shí)不均流和芯片柵極振蕩等問題。

導(dǎo)通時(shí)的不均流問題

在并聯(lián)功率器件的導(dǎo)通過程中，確保電流均勻分配是一項(xiàng)關(guān)鍵考量，而這一過程往往會(huì)受到多種因素的干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)不均流現(xiàn)象。首要因素是各器件間導(dǎo)通狀態(tài)下的Vce(sat)和RDS(on)的不一致性。當(dāng)某些器件表現(xiàn)出更低的Vce(sat)或RDS(on)時(shí)，它們自然傾向于承載更多的電流，從而打破了理想的均流狀態(tài)。其次，門檻電壓（Vgs(e)th）的差異也會(huì)導(dǎo)致電流分配不均，Vgs(e)th較小的器件，其導(dǎo)通電阻（RDS(on)）也較小，這進(jìn)一步加劇了電流分配的不均衡。此外，器件的溫度特性不容忽視，負(fù)溫度系數(shù)可能導(dǎo)致溫度升高時(shí)電流分配更加不均，而正溫度系數(shù)則有助于改善均流效果。

為有效解決靜態(tài)均流的問題，我們需要從器件選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)層面考慮。

首先，在器件選擇上，推薦在標(biāo)稱工作電流下對導(dǎo)通阻抗進(jìn)行篩選，以確保并聯(lián)器件之間的阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)更均勻的電流分配。建議優(yōu)先選擇那些Vce(sat)和RDS(on)參數(shù)一致或相近的功率器件，確保這些器件參數(shù)的差異分別控制在0.1V以內(nèi)和5%以內(nèi)。

其次，不同器件Vgs(e)th參數(shù)的差異應(yīng)控制在0.1V以下。最后，采用具有正溫度系數(shù)（PTC）的功率半導(dǎo)體器件是提升均流效果的明智之舉，因?yàn)镻TC特性能夠使器件隨溫度上升自動(dòng)調(diào)節(jié)電流分布，有利于均衡。然而，若應(yīng)用場景中要求低開關(guān)頻率且考慮使用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）的IGBT以優(yōu)化導(dǎo)通損耗，必須確保工作電流超過NTC的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以避免溫度引起的電流不均衡加劇。

開關(guān)時(shí)的電流不平衡

在功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)階段，動(dòng)態(tài)不均流問題尤為突出，該現(xiàn)象部分歸因于器件之間在關(guān)鍵參數(shù)上的不一致性，如VTH、米勒平臺電壓(Vplateau)以及輸入電容(Cies)的差異。低VTH的器件會(huì)因?yàn)槠漭^低的門檻電壓而較早導(dǎo)通，同時(shí)由于其較小的Cies和柵極-發(fā)射極電容(Cge)，充電速度更快，導(dǎo)致這些器件在開關(guān)動(dòng)作中承擔(dān)較大的能量損耗(Eon和Eoff)。這種能量損耗的集中會(huì)導(dǎo)致器件的結(jié)溫(TJ)升高，進(jìn)而可能降低VTH，使得這些器件在后續(xù)的開關(guān)動(dòng)作中更早導(dǎo)通，形成一個(gè)電流集中的循環(huán)，加劇了電流不平衡。

其次，較大的源極電感和阻抗會(huì)導(dǎo)致器件導(dǎo)通變慢和關(guān)斷延遲。具體來說，較小的源極雜散電感(LS)會(huì)導(dǎo)致器件在導(dǎo)通時(shí)承擔(dān)較大的能量損耗(Eon)，而較大的源極雜散電感則會(huì)導(dǎo)致器件在關(guān)斷時(shí)承擔(dān)較大的能量損耗(Eoff)。這種由于電路布局引起的不均衡，會(huì)導(dǎo)致某些器件在開關(guān)過程中電流過大，而其他器件電流較小，從而產(chǎn)生電流不平衡。

因此，要解決開關(guān)時(shí)電流不平衡的問題，需要從器件的電氣特性和布局兩個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化。首先對功率器件在標(biāo)稱工作電流下的柵極-發(fā)射極Vgs(e)th進(jìn)行細(xì)致的篩選和排序，確保各器件的Vgs(e)th差異控制在0.1V以內(nèi)，這有助于實(shí)現(xiàn)更一致的開關(guān)行為。其次，為了均衡電流，需要確保各個(gè)功率器件與門級驅(qū)動(dòng)之間的回路長度一致，這有助于減少由于回路差異引起的開關(guān)時(shí)間不一致。最后，對稱的雜散電感設(shè)計(jì)同樣重要，在電路布局中，必須確保從功率器件的源極或發(fā)射極到驅(qū)動(dòng)IC之間的雜散電感對稱且盡可能相等。

芯片之間柵極振蕩問題

柵極振蕩問題源于功率器件并聯(lián)使用時(shí)芯片間與外部電路連接時(shí)的差異，這些條件共同作用可能引發(fā)L-C諧振。具體來說，每個(gè)芯片都帶有寄生輸入電容Cgd和Cgs，當(dāng)芯片間的公共柵極和源極存在雜散電感時(shí)，就可能在芯片間產(chǎn)生L-C諧振。此外，芯片本身參數(shù)的微小差異，如門檻電壓Vgs(th)的不同，以及外部連接的源極和驅(qū)動(dòng)器之間的不同雜散電感，也可能促成這種諧振。如果電路中缺乏足夠的阻抗來消耗這些能量，諧振現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生，導(dǎo)致柵極電壓Vgs出現(xiàn)振蕩。

這種振蕩不僅增加了功率器件的開關(guān)損耗，還可能引起重復(fù)開關(guān)，長期下去可能導(dǎo)致功率器件因損耗過大而損壞。因此，為了減少柵極振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮匹配芯片間的雜散電感，確保并聯(lián)芯片間的源極（Source）和漏極（Drain）之間的雜散電感（例如上圖中的LD1與LD2，LS1與LS2，LG1與LG2）相等或盡可能接近，以減少由于電感不匹配引起的L-C諧振。如果芯片的內(nèi)部門極電阻為零歐姆或非常低，應(yīng)為每個(gè)器件單獨(dú)配置外部門極電阻(Rg)。這有助于消耗由L-C諧振產(chǎn)生的能量，減少柵極振蕩。

單管并聯(lián)還是模塊，在設(shè)計(jì)中如何選擇？

在大功率的應(yīng)用中，選擇單管進(jìn)行功率器件并聯(lián)設(shè)計(jì)還是使用模塊，應(yīng)該綜合考慮成本、功耗、安裝便利性等因素。安森美作為全球領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體器件供應(yīng)商，其產(chǎn)品線涵蓋了廣泛的選擇，旨在滿足不同應(yīng)用場景下的功率管理需求。在功率器件的選用上，無論是追求極致效率的單管解決方案，還是高度集成、優(yōu)化散熱的模塊化設(shè)計(jì)，安森美都能提供滿意之選。安森美的產(chǎn)品陣容提供全系列高、中、低壓功率分立器件以及先進(jìn)的功率模塊方案，包括IGBT、MOSFET、SiC、Si/SiC混合模塊、二極管、SiC二極管和智能功率模塊(IPM)。

安森美全新推出的M3S1200VEliteSiC功率集成模塊，該方案擁有全面、豐富的產(chǎn)品組合，輸出功率范圍由25kW可靈活擴(kuò)展至100kW，非常適用于電動(dòng)汽車直流超快速充電樁及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）的應(yīng)用場景，以滿足不同需求的高能效供電解決方案。

采用第7 代 (FS7)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)技術(shù)的1200VSPM31智能功率模塊(IPM)，與市場上其他領(lǐng)先的解決方案相比，SPM31 IPM能效更高、尺寸更小、功率密度更高，因而總體系統(tǒng)成本更低。由于這些IPM集成了優(yōu)化的IGBT，實(shí)現(xiàn)了更高效率，因此非常適合三相變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，如熱泵、商用暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)以及工業(yè)泵和風(fēng)扇。