用硅IGBT的工程師們很多曾經(jīng)有過并聯(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(tǒng)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個英飛凌6mohm的SiC模塊的硬并聯(lián)為例，來一起看看實現(xiàn)的可行性。
任何的同一料號開關器件并聯(lián)，均流總是最重要的目的，這關系到整個系統(tǒng)的最終功率等級，所以如何做到均流就會是一個挑戰(zhàn)。一般我們會按動態(tài)均流和靜態(tài)均流分別討論它。動態(tài)均流和系統(tǒng)設計有很大的關系，包括門極驅(qū)動，母排結(jié)構(gòu)，PCB布線，甚至功率器件和負載擺放的位置都會影響均流效果。而靜態(tài)均流和器件本身以及結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)關系密切，得益于如今市場上大部分的功率半導體是正溫度系數(shù)的，所以靜態(tài)均流比較容易實現(xiàn)，對器件批次的參數(shù)差異要求不多，文章最后會給出蒙特卡洛分析來評估。
首先我們來討論一下整體結(jié)構(gòu)。由于要實現(xiàn)最小的電流回路，整個系統(tǒng)做成了分開的主功率板和驅(qū)動電路板，用接插針來連結(jié)兩塊板子，如圖1所示。這樣的好處是4路驅(qū)動到4個并聯(lián)模塊的距離相等。再來看一下主功率板的布局如圖2。用多層PCB來實現(xiàn)多層母線的結(jié)構(gòu)，這樣的雜散電感很小，每路只有大約19nH，4個并聯(lián)后總的雜散電感不超過5nH。可以看到整個主功率板超級對稱，這對并聯(lián)應用是最重要的，沒有之一。如果看不清楚，沒關系，請參考圖3單路的高清放大圖，上排的孔是用來套超細柔性探頭測橋臂電流；下排的孔是留來測負載電流的。這些孔在實驗階段很好用，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(qū)域面積變大，系統(tǒng)的雜散電感會進一步減小的。
圖1 雙層結(jié)構(gòu)的電路設計
圖2 主功率板的布局
圖3 單個主回路
我們再來看一下這個4并聯(lián)的驅(qū)動。圖4是這個模塊的管腳布局圖，這個模塊的上下橋模塊每個都擁有兩路gate，兩路source，且他們在模塊內(nèi)部是電氣相連的。這樣做不僅可以減小門極的寄生電感，還能改善模塊內(nèi)部SiC芯片的電流分布。鑒于這樣的模塊門極結(jié)構(gòu)，外圍的驅(qū)動電路也應做到與之相配，也就是說接到兩個G、S也要對稱，以保證左右兩邊的開關時間高度一直。可以用圖5這樣的樹形結(jié)構(gòu)，橘黃色是到左右兩邊的驅(qū)動信號，黃色是驅(qū)動板至4路SiC模塊的驅(qū)動信號。經(jīng)實測，4并聯(lián)8組驅(qū)動信號之間的延時誤差不超過5ns。
圖4 模塊管腳布局
圖5 門極驅(qū)動的樹形結(jié)構(gòu)
這么對稱的母排和驅(qū)動，實際測量中均流到底好不好呢？接下來，讓我們一起見證一下結(jié)果。需要說明的是測試所用的雙脈沖測試電路結(jié)構(gòu)是全橋的，并非常規(guī)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負載電感對回路的電磁場影響。各個器件的門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(xù)流是可以使用同步整流模式，但要留出一定的死區(qū)時間，對SiC器件而言一般不超過1us。圖7是單個模塊左右兩側(cè)的負載電流，可以看出兩者的均流度非常好。我們不僅要對每個模塊的左右電流均流度進行確認，還要對不同模塊同一側(cè)電流進行比較，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個并聯(lián)模塊的開通和關斷電流，上升和下降的斜率一致性非常高，而且沒有什么振蕩。改變溫度，母線電壓和門極電阻后，均流的趨勢幾乎是一樣的。
圖6 全橋雙脈沖測試
圖7 單個模塊左右兩側(cè)的負載電流
圖8 開通電流
圖9 關斷電流
以上的這些測試結(jié)果都是針對數(shù)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，祭出了蒙特卡洛來進行熱分析。這個理論簡單地說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50000個不同損耗的樣本庫中，隨機抽出4個進行組合，然后進行電流與溫度的迭代，獲得該組并聯(lián)時的溫度差。多次重復進行這樣的隨機抽取，把所有的溫度差按出現(xiàn)的次數(shù)繪成柱狀圖就是圖11。
圖10 蒙特卡洛過程
圖11 并聯(lián)溫度偏差
結(jié)束語
SiC器件的并聯(lián)肯定是可行的，但最最關鍵的一個詞就是“對稱”。“對稱”能從根本上解決各類振蕩和不均流問題。另外，使用同步整流還有助于續(xù)流時的均流，特別對二極管損耗占比偏高的應用大益。
參考資料:
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