以对称的布板设计来实现4个6毫欧的碳化硅模块的并联,给出了实际的测量结果。最后还通过门特卡罗分析来演绎批量器件应用在并联场合下的温度偏差。由此可以看出碳化硅MOSFET并联使用的可行性。

 

用硅IGBT的工程师们很多曾经有过并联器件的使用经历,它不仅能降低成本还能减小整体系统分布电感。那么对于新一代的半导体器件SiC而言,是否一样可以并联使用呢?以下就以4个英飞凌6mohm的SiC模块的硬并联为例,来一起看看实现的可行性。

 

任何的同一料号开关器件并联,均流总是最重要的目的,这关系到整个系统的最终功率等级,所以如何做到均流就会是一个挑战。一般我们会按动态均流和静态均流分别讨论它。动态均流和系统设计有很大的关系,包括门极驱动,母排结构,PCB布线,甚至功率器件和负载摆放的位置都会影响均流效果。而静态均流和器件本身以及结构的几何形态关系密切,得益于如今市场上大部分的功率半导体是正温度系数的,所以静态均流比较容易实现,对器件批次的参数差异要求不多,文章最后会给出蒙特卡洛分析来评估。

 

首先我们来讨论一下整体结构。由于要实现最小的电流回路,整个系统做成了分开的主功率板和驱动电路板,用接插针来连结两块板子,如图1所示。这样的好处是4路驱动到4个并联模块的距离相等。再来看一下主功率板的布局如图2。用多层PCB来实现多层母线的结构,这样的杂散电感很小,每路只有大约19nH,4个并联后总的杂散电感不超过5nH。可以看到整个主功率板超级对称,这对并联应用是最重要的,没有之一。如果看不清楚,没关系,请参考图3单路的高清放大图,上排的孔是用来套超细柔性探头测桥臂电流;下排的孔是留来测负载电流的。这些孔在实验阶段很好用,当然在正式的设备量产板上是要去掉的,去掉后母排叠层区域面积变大,系统的杂散电感会进一步减小的。

 

图1.双层结构的电路设计

 

图2.主功率板的布局

 

图3.单个主回路

 

图4.模块管脚布局

 

图5.门极驱动的树形结构

 

这么对称的母排和驱动,实际测量中均流到底好不好呢?接下来,让我们一起见证一下结果。需要说明的是测试所用的双脉冲测试电路结构是全桥的,并非常规用的半桥模式,原理如图6。如此做的好处是可以减小半桥测试时负载电感对回路的电磁场影响。各个器件的门极信号给定也在图中有显示。由于SiC器件的体二极管导通压降大且偏差也大,所以在续流是可以使用同步整流模式,但要留出一定的死区时间,对SiC器件而言一般不超过1us。

 

图7是单个模块左右两侧的负载电流,可以看出两者的均流度非常好。我们不仅要对每个模块的左右电流均流度进行确认,还要对不同模块同一侧电流进行比较,这样能保证器件并联后达到最大的输出电流。图8和图9分别是4个并联模块的开通和关断电流,上升和下降的斜率一致性非常高,而且没有什么振荡。改变温度,母线电压和门极电阻后,均流的趋势几乎是一样的。

 

图6.全桥双脉冲测试

 

图7.单个模块左右两侧的负载电流

 

图8.开通电流

 

图9.关断电流

 

以上的这些测试结果都是针对数量有限的模块的,那么对于批量的产品而言,均流又怎样呢?最后,祭出了蒙特卡洛来进行热分析。这个理论简单地说就是反复地随机取样,以得到最终事件概率。图10所示,用在本次模块并联分析中就是从一个50000个不同损耗的样本库中,随机抽出4个进行组合,然后进行电流与温度的迭代,获得该组并联时的温度差。多次重复进行这样的随机抽取,把所有的温度差按出现的次数绘成柱状图就是图11。

 

图10.蒙特卡洛过程

 

图11.并联温度偏差

 

结束语

SiC器件的并联肯定是可行的,但最最关键的一个词就是“对称”。“对称”能从根本上解决各类振荡和不均流问题。另外,使用同步整流还有助于续流时的均流,特别对二极管损耗占比偏高的应用大益。

 

参考文献

Infineon AN 2017-41.  Evaluation Board for CoolSiC™ Easy1B half-bridge modules.

 

Infineon AN 2017-04. Advanced Gate Drive Options for Silicon- Carbide (SiC) MOSFETs using EiceDRIVER™.

 

Infineon AN2014-12. EiceDRIVER™ 1EDI Compact Family. Technical description.

 

Infineon AN2018-09. Guidelines for CoolSiC™ MOSFET gate drive voltage window

 

Infineon AN2017-14. Evaluation Board EVAL-1EDI20H12AH-SIC.

 

Infineon AN2007-04. How to calculate and minimize the dead time requirement for IGBT’s properly.

 

Infineon AN2017-46. CoolSiC™ 1200 V SiC MOSFET Application Note