【導讀】以對稱(chēng)的布板設計來(lái)實(shí)現4個(gè)6毫歐的碳化硅模塊的并聯(lián)，給出了實(shí)際的測量結果。最后還通過(guò)門(mén)特卡羅分析來(lái)演繹批量器件應用在并聯(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分布電感。那么對于新一代的半導體器件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)現的可行性。
任何的同一料號開(kāi)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)系統的最終功率等級，所以如何做到均流就會(huì )是一個(gè)挑戰。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)均流和系統設計有很大的關(guān)系，包括門(mén)極驅動(dòng)，母排結構，PCB布線(xiàn)，甚至功率器件和負載擺放的位置都會(huì )影響均流效果。而靜態(tài)均流和器件本身以及結構的幾何形態(tài)關(guān)系密切，得益于如今市場(chǎng)上大部分的功率半導體是正溫度系數的，所以靜態(tài)均流比較容易實(shí)現，對器件批次的參數差異要求不多，文章最后會(huì )給出蒙特卡洛分析來(lái)評估。
首先我們來(lái)討論一下整體結構。由于要實(shí)現最小的電流回路，整個(gè)系統做成了分開(kāi)的主功率板和驅動(dòng)電路板，用接插針來(lái)連結兩塊板子，如圖1所示。這樣的好處是4路驅動(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)現多層母線(xiàn)的結構，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?？梢钥吹秸麄€(gè)主功率板超級對稱(chēng)，這對并聯(lián)應用是最重要的，沒(méi)有之一。如果看不清楚，沒(méi)關(guān)系，請參考圖3單路的高清放大圖，上排的孔是用來(lái)套超細柔性探頭測橋臂電流；下排的孔是留來(lái)測負載電流的。這些孔在實(shí)驗階段很好用，當然在正式的設備量產(chǎn)板上是要去掉的，去掉后母排疊層區域面積變大，系統的雜散電感會(huì )進(jìn)一步減小的。
圖1.雙層結構的電路設計
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(mén)極驅動(dòng)的樹(shù)形結構
這么對稱(chēng)的母排和驅動(dòng)，實(shí)際測量中均流到底好不好呢？接下來(lái)，讓我們一起見(jiàn)證一下結果。需要說(shuō)明的是測試所用的雙脈沖測試電路結構是全橋的，并非常規用的半橋模式，原理如圖6。如此做的好處是可以減小半橋測試時(shí)負載電感對回路的電磁場(chǎng)影響。各個(gè)器件的門(mén)極信號給定也在圖中有顯示。由于SiC器件的體二極管導通壓降大且偏差也大，所以在續流是可以使用同步整流模式，但要留出一定的死區時(shí)間，對SiC器件而言一般不超過(guò)1us。圖7是單個(gè)模塊左右兩側的負載電流，可以看出兩者的均流度非常好。我們不僅要對每個(gè)模塊的左右電流均流度進(jìn)行確認，還要對不同模塊同一側電流進(jìn)行比較，這樣能保證器件并聯(lián)后達到最大的輸出電流。圖8和圖9分別是4個(gè)并聯(lián)模塊的開(kāi)通和關(guān)斷電流，上升和下降的斜率一致性非常高，而且沒(méi)有什么振蕩。改變溫度，母線(xiàn)電壓和門(mén)極電阻后，均流的趨勢幾乎是一樣的。
圖6.全橋雙脈沖測試
圖7.單個(gè)模塊左右兩側的負載電流
圖8.開(kāi)通電流
圖9.關(guān)斷電流
以上的這些測試結果都是針對數量有限的模塊的，那么對于批量的產(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)就是反復地隨機取樣，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)不同損耗的樣本庫中，隨機抽出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。多次重復進(jìn)行這樣的隨機抽取，把所有的溫度差按出現的次數繪成柱狀圖就是圖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“對稱(chēng)”?！皩ΨQ(chēng)”能從根本上解決各類(lèi)振蕩和不均流問(wèn)題。另外，使用同步整流還有助于續流時(shí)的均流，特別對二極管損耗占比偏高的應用大益。
來(lái)源：英飛凌
參考文獻
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