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    英飞凌4个6 μm碳化硅模块并联方案分析

    发布日期:2021-02-21 16:29 参考文献

    通过对称布局设计,实现了4个6 m碳化硅模块的并联,并给出了实际测量结果。最后,通过蒙特卡罗分析推导出并行应用的批量器件的温度偏差。所以可以看出碳化硅MOSFET是可以并联使用的。

    许多使用硅IGBT的工程师都经历过并联器件的使用,这不仅可以降低成本,还可以降低整个系统的分布电感。那么对于新一代的半导体器件SiC,是否可以并行使用呢?我们以4个英飞凌6mohm SiC模块的硬并联为例,看看实现的可行性。

    当同一项目的任何开关器件并联时,均流始终是最重要的目标,这关系到整个系统的最终功率水平,因此如何实现均流将是一个挑战。一般我们会按照动静态均流分别讨论。动态均流与系统设计有很大关系,包括栅极驱动、总线结构、PCB布线,甚至功率器件和负载的放置都会影响均流效果。然而,静态均流与器件本身和结构的几何形状密切相关。由于市场上大多数功率半导体都有正的温度系数,静态均流很容易实现,对器件批次的参数差异要求不高。最后,将给出蒙特卡罗分析进行评估。

    首先,我们来讨论一下整体结构。为了实现最小电流回路,将整个系统做成独立的主电源板和驱动电路板,两块板通过连接引脚连接,如图1所示。这样做的好处是,从四个驱动器到四个并行模块的距离相等。我们来看看主电源板的布局,如图2所示。采用多层PCB实现多层总线的结构,因此杂散电感很小,每路只有19nH左右,四路并联后总杂散电感不超过5nH。可以看出整个主电源板是超级对称的,对于并行应用来说是最重要的。如果看不清楚,也没关系。单通道高清放大图请参考图3。上排孔用于设置超细柔性探头测量桥臂电流;下排的孔是用来测量负载电流的。这些孔在实验阶段很有用,当然要在正式的设备制作板上去掉。拆除后,母线叠片面积将增加,系统的杂散电感将进一步减小。

    这样对称的母线和驱动,在实际测量中分享电流好吗?接下来,让我们一起见证结果。需要注意的是,测试中使用的双脉冲测试电路结构是全桥,而不是常规的半桥模式,原理如图6所示。这样做的好处是减少半桥测试时负载电感对回路电磁场的影响。图中还显示了每个器件的给定栅极信号。由于SiC器件体二极管导通压降大,偏差大,续流时可以采用同步整流方式,但要留出一定的死区时间,对于SiC器件一般小于1us。

    图7显示了单个模块左侧和右侧的负载电流。可以看出两个模块之间的均流非常好。我们不仅要确定每个模块的左右电流流动性,还要比较不同模块同一侧的电流,以保证器件并联后的最大输出电流。图8和图9分别示出了四个并联模块的接通和断开电流。上升斜率和下降斜率非常一致,没有振荡。改变温度、母线电压、栅极电阻后,均流趋势几乎相同。

    以上测试结果针对的模块数量有限,那么批量产品的均流呢?最后牺牲蒙特卡洛进行热分析。这个理论就是简单的反复随机取样,得到最终的事件概率。如图10所示,在该模块并行分析中,从50,000个不同损失的样本库中随机选择四个样本进行组合,然后电流和

    SiC器件并联当然可行,但最关键的词是“对称”。对称可以从根本上解决各种振荡和不均匀流动问题。此外,同步整流的使用也有助于续流期间的均流,特别是对于高二极管损耗比的应用。


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