PCIM2024论文摘要｜并联SiC MOSFET的均流研究

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并联SiC MOSFET面临着许多技术挑战,包括电流不平衡、不同的热性能、过电压等。本文介绍了不同参数对并联SiC MOSFET分流影响的理论分析和数学计算。提出了基于SPICE模型的Simetrix仿真,以研究不同参数对分流的影响。最后提出了驱动电路设计建议和栅极电阻设计方法。

导言

随着市场和应用的发展,高额定功率和高功率密度成为越来越重要的趋势。目前，碳化硅(SiC)MOSFET因其低Rdson、低开关损耗、高导热性、高开关频率等特性，在不同应用中具有诸多优势。先进的半导体制造商，如英飞凌可以提供广泛的SiC MOSFET模块组合,以满足高功率需求，扩大SiC MOSFET的应用范围。同时，并联式SiC MOSFET也因其灵活性而得到广泛应用。SiC MOSFET的导通电阻具有正温度系数,因此很容易并联工作。

虽然存在正温度系数，但当SiC MOSFET并联时，电流不平衡仍是主要挑战。不平衡分为两种：稳态电流不平衡和动态电流不平衡。为了实现高可靠性，通常需要对MOSFET进行输出能力的降额，这将导致额外的成本。本文对不同参数对并联SiC MOSFET电流分担的影响进行了理论分析和数学计算。并且根据仿真结果，提出了驱动电路设计建议和栅极电阻设计方法，以改善SiC MOSFET的并联性能。

理论分析和计算

SiC MOSFET的器件参数和功率电路参数都会对SiC MOSFET并联的分流性能产生影响。本节从理论上分析了不同参数对分流的影响。从计算过程中可以做出定性分析。表1根据重要性列出了对并联SiC MOSFET分流有影响的参数。

表1.电流共享的有效参数

稳态电流均流

由于功率半导体生产过程的复杂性,很难保证不同芯片的每个过程都完全相同。环境条件变化、时间变化或空间变化是工艺控制的主要波动。工艺参数的差异会直接导致芯片电气参数出现一定的离散性。

SiC MOSFET导通电阻Rdson是影响稳态电流均流的直接因素。不过，Rdson的正温度系数可以在一定程度上改善初始稳态电流差。

动态电流均流

动态分流受器件参数和电路参数的影响。阈值电压Vgs-th、内部栅极电阻Rg-in、电容Ciss、Crss和Coss以及跨导gfs都会对电流分担产生影响。杂散电感,包括功率回路杂散电感Lsp和驱动器回路杂散电感Lsd,都对电流均流有影响。

直接影响动态电流均流。PCB布局、器件安装、甚至空间位置都会导致电源环路和驱动器环路的杂散电感不同。瞬态过程中的杂散参数提取方法和杂散参数分析对于并联应用非常重要。

a.4引脚杂散参数

b.3引脚杂散参数

图1.电路中的漏极杂散电感Ld、源极杂散电感Ls和驱动杂散电感Lsd参数计算将在论文全文中展示。