SiC MOSFET单管的并联均流特性及1 200V 产品参数分散性对并联均流的影响

日期:2022-05-10 来源:碳化硅芯观察阅读:224
核心提示:在新型电力电子器件领域,碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管器件与传统的硅基器件相比,拥有更高的临界击穿场强、更好的热传导
在新型电力电子器件领域,碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管器件与传统的硅基器件相比,拥有更高的临界击穿场强、更好的热传导性能、更小的导通电阻、更高的电子饱和速度以及更小的芯片面面积,这些优良特性使得基于SiC器件的电力电子装备拥有更小的重量和体积,从而提高整个电力电子系统的功率密度与性能。
 
由于在芯片制备和器件封装过程中工艺的不均匀性,即使是同一型号同一批次的器件,其阈值电压、跨导、导通电阻以及极间电容等参数也会存在一定的差异。碳化硅在大功率的应用中,芯片的均流问题随之凸显。并联必然会由于器件,回路和驱动的差异而产生不同程度的不均流问题。
 
器件不均流会使得器件的损耗不同,发热不同。在稳定工作状态,不同芯片之间必然有一定的温度差,才能保持此稳定工作状态。这时总的功率就被温度最高的器件所限定。因此 SiC MOSFET 的均流问题对于其并联以扩大功率等级有着重要的意义。
 
 
对于均流问题,国内外企业和学者均展开过研究,今天我们分享两篇:
 
2021年,英飞凌发布过一篇借助器件SPICE模型与Simetrix仿真环境,分析SiC MOSFET单管在并联条件下的均流特性的技术分析。该试验基于双脉冲的思路,搭建双管并联的主回路和驱动回路,并设置相关杂散参数,环境温度为室温。

1、仿真电路Setup

外部主回路:直流源800Vdc、母线电容Capacitor(含寄生参数)、母线电容与半桥电路之间的杂散电感Ldc_P和Ldc_N、双脉冲电感Ls_DPT。
 
并联主回路:整体为半桥结构,双脉冲驱动下桥SiC MOSFET,与上桥的SiC MOSFET Body Diode进行换流。下桥为Q11和Q12两颗IMZ120R045M1,经过各自发射极(源极)电感Lex_Q11和Lex_Q12,以及各自集电极(漏极)电感Lcx_Q11和Lcx_Q12并联到一起;同理上桥的Q21和Q22的并联结构也是类似连接。
 
并联驱动回路:基于TO247-4pin的开尔文结构,功率发射极与信号发射级可彼此解耦,再加上1EDI40I12AF这颗驱动芯片已配备OUTP与OUTN管脚,所以每个单管的驱动部分都有各自的Rgon、Rgoff和Rgee(发射极电阻),进行两并联后与驱动IC的副边相应管脚连接。
 
驱动部分设置:通过调整驱动IC副边电源和稳压电路,调整门级电压Vgs=+15V/-3V,然后设置门极电阻Rgon=15Ω,Rgoff=5Ω,Rgee先近似设为0Ω(1pΩ),外加单管门极与驱动IC之间的PCB走线电感。
 
 
图1 基于TO247-4Pin的SiC双管并联的双脉冲电路示意图

2、并联动态均流仿真

SiC MOSFET并联的动态均流与IGBT类似,只是SiC MOSFET开关速度更快,对一些并联参数会更为敏感。如图2所示,我们先分析下桥Q11和Q12在双脉冲开关过程中的动态均流特性及其影响因素:
 
 
图2 下桥SiC双管并联的双脉冲电路示意图
 
2.1 器件外部功率源极电感Lex对并联开关特性的影响
设置Lex_Q11=5nH,Lex_Q12=10nH,其他参数及仿真结果如下:

 
图3 不同Lex电感的并联均流仿真结果
2.2 器件外部功率漏极电感Lcx对并联开关特性的影响
 
设置Lcx_Q11=5nH,Lcx_Q12=10nH,其他参数及仿真结果如下:
 
 
图4 不同Lcx电感的并联均流仿真结果
 
2.3 器件外部门级电感Lgx对并联开关特性的影响
 
设置门级电感Lgx_Q11=20nH,Lgx_Q12=40nH,其中Rgon和Rgoff的门级电感都是Lgx,其他参数及仿真结果如下:
 
 
图5 不同Lgx电感的并联均流仿真结果

3.4器件外部源极环流电感Lgxe和环流电阻Rgee对并联开关特性的影响
 
在Lex电感不对称(不均流)的情况下,设置不同的源极抑制电感和电阻Lgxe=20nH,Rgee=1Ω和3Ω,看看对驱动环流的抑制与均流效果,其仿真结果如下:
 
 
图6 加源极抑制电感和电阻之前(虚线)和加之后(实线)的均流特性变化
 
 
图7 不同源极抑制电感和电阻(1Ω虚线)和(3Ω实线)的均流特性变化
3、总结
 
基于以上TO247-4pin的SiC MOSFET两并联的仿真条件与结果,我们可以得到如下一些初步的结论:
 
1、并联单管的源极电感Lex差异,SiC MOSFET的开通与关断的均流对此非常敏感。因为,源极电感的差异也会耦合影响到驱动回路,以进一步影响均流。如下图8所示,以关断为例,由于源极电感Lex不同,造成源极环流和源极的电位差(VQ11_EE-VQ12_EE),推高了Q11源极电压VQ11_EE,间接降低了Q11门级与源极之间的电压Vgs_Q11。
 
 
图8 不同源极电感时,关断时的源极环流与源极电位差
2、并联单管的漏极电感Lcx差异,对均流影响的影响程度要明显低与源极电感。因为漏极电感不会直接影响由辅助源极和功率源极构成的源极环流回路。
 
3、门极电感差异对动态均流的影响不明显,而且驱动电压Vgs波形几乎没有变化。如果把主回路的总杂散电感减小,同时把门级电阻变小,让SiC工作在更快的di/dt和dv/dt环境,此时门级电感对均流的影响可能会稍微明显一点。
 
4、辅助源极电阻Rgee,对抑制源极环流和改善动态均流的效果也不甚明显。
在这里提出另一个问题:既然Rgee对抑制源极环流效果一般,那如果给门极增加一点Cge电容呢?请看以下仿真:
图9  增加1nF门级Cge电容对源极不均流特性的影响(虚线为无Cge,实线为有Cge)
 
由上述仿真可以看出,Cge电容对于关断几乎没有影响,而Cge之于开通只是以更慢的开通速度,增加了Eon,同时减轻了开通电流振荡,但是对于开通的均流差异和损耗差异,影响也不大。
 
国内也有学者和企业对均流问题展开研究,去年12月,汤广福院士研究团队以30只全球能源互联网研究院研制的1200 V/20 A SiC MOSFET作为样品,经由静态特性测试实验得到特征参数,分析各参数的分散性。最后在排除测试回路寄生参数影响的基础上,对分散性较差的参数进行双脉冲测试实验分析其对均流的影响,从而为器件的筛选工作提供参考。
 
该试验首先引入器件偏离度和变异系数,分析了三线法和两线法测试平台对器件阈值电压和导通电阻测试结果的影响,得出三线法对于本文的测试结果更加可靠且可测参数更多;基于三线法的测试平台,实验测试了器件的基本特征参数,包括阈值电压、导通电阻、跨导等,并分析了30只器件的分散性,结果表明测试器件跨导的一致性较好,而阈值电压和导通电阻的偏离度较大;
 
最后,以阈值电压和导通电阻为研究对象,选择了器件两参数相近与分散性较大的SiC MOSFET进行并联双脉冲实验,在排除了测试回路寄生参数的基础上,通过实验和仿真对比验证了导通电阻及阈值电压对器件并联均流的影响,结果表明阈值电压对于并联系统开关前后瞬态过程的均流影响较大,阈值电压较小的器件将承担更大的过冲电流,影响并联系统的可靠性;相比开关瞬态过程,导通电阻则是对稳态后的均流影响更大,导通电阻较小的器件将承担更大的电流,影响支路器件的可靠性。
 
SiC MOSFET的导通电阻Rds(on)、阈值电压VGS(th)会在不同程度上影响芯片导通电流的动态特性。
 
为探究团队自研并进行金属封装后的1200 V 20 A的SiC MOSFET器件特征参数差异性对其并联均流特性的影响,本文在经过对测试的30只实验样本中选择对应特征参数差异最大,同时保证其他特征参数差异较小的2只器件进行并联均流实验,需要特别说明的是:本文的研究目前尚未考虑在并联测试时流过器件的电流会导致SiC MOSFET器件内部的结温升高,进而引起导通电阻、跨导、阈值电压等参数发生漂移,对于温度引起参数漂移对并联均流的影响在后续的工作中将会进一步展开研究。
 
1  并联支路寄生参数对并联均流的影响校验
由于本次研究器件特征参数对SiC MOSFET并联均流的影响,需要两条并联支路的寄生参数保持高度一致,以免对均流结果造成影响。为了验证支路的寄生参数的一致性,本次选择使用1号和17号器件组成并联系统后进行双脉冲实验,选取1号和17号器件的原因是,通过测试结果发现两只器件的特征参数非常接近,其导通电阻Rds(on)、阈值电压VGS(th)、跨导gfs、极间电容Cgs、Cgd、Cds的偏差均在2%以内,在保证这些特征参数一致的前提下,可以分析支路的寄生参数对并联系统均流性能的影响程度。
 
实验时设置环境温度为25℃,施加漏-源电压VDS=960 V,测试得到两只器件的双脉冲电流波形如图7所示,可以看出器件特性接近的脉冲测试波形整体上几乎没有什么差异,因此可认为两并联支路的寄生参数是相同的,这保证了下文研究器件特征参数差异性并联均流影响实验时,完全可以排除并联支路的寄生参数额外引入的误差。
 
  1号和17号并联后的电流波形

2  导通电阻对并联均流的影响分析
 
理论上,支路上器件的导通电阻的差异性对并联系统中的稳态均流的影响是较大的。因此,通过对比30只已经过上述特征参数测试的SiC MOSFET器件,选取导通电阻Rds(on)差异性较大(相差19%),并且其他特征参数接近(小于2%)的3号和22号器件搭建并联系统,进行双脉冲并联均流测试,得到如图所示的对比波形图。
 
 3号和22号并联后的电流波形
 
由于本文已经排除并联支路的寄生参数的影响,因此不计测试回路的寄生电阻,两只器件并联时的分流公式为
 
由上图可知3号和22号器件在并联系统稳态阶段时电流差异较大,当并联系统电流为40 A时,电流相差超过了3.1 A,并联系统中Rds(on)较小的22号器件将承受更大的电流,呈反向关系,如果并联系统中电流继续增加,将会导致该器件因电流过大而烧坏,最终直接导致并联系统崩溃。
 
考虑到Rds(on)具有正温度效应,因此电流过大时温度升高,Rds(on)也随之增大,对电流有抑制作用,因此这种自动调节补偿能力也能在一定程度上抑制稳态过程中的电流不均现象。但是从图中开通后的稳态阶段的曲线来看,并联的两只器件的电流差值几乎是等比例增大,并没有出现增大后的逐渐减小过程,因此在该双脉冲测试过程中温度的影响并没有导致器件趋向于均流,而导通电阻对器件不均流的影响是更加显著的。
 
额外地,图中每只器件的测试曲线表明:对于自研的SiC MOSFET而言,导通电阻Rds(on)的差异性对器件开通关断过程中的电流产生的影响很小,即两只并联运行的器件,其di/dt相差并不显著。图中3号器件的曲线显示,在开关瞬间的电流与22号出现相差接近1.02 A的震荡,这种现象也将会影响到并联系统在开关瞬间的均流性能。对比开关瞬态和稳态过程中电流的差额,导通电阻对于均流的影响主要存在于并联系统的稳态过程,首先影响器件的支路分流。
 
3  阈值电压对并联均流的影响分析
在器件导通和关断阶段,器件的漏极电流Ids的变化与器件的栅-源极电压VGS和转移特性有直接关系,即
 
 
 
 
下图的测试曲线表明,在由10号和16号器件组成的并联系统中,在稳态阶段,阈值电压VGS(th)较大的10号器件承受了更小的电流,这也与式(3)给出的解释是一致的。
 
当并联系统总电流为40 A,通过两只器件的电流相差达到0.86 A,类似于导通电阻对于并联均流的影响,也呈反向关系,但该关系的影响远远小于导通电阻对于并联均流的影响,其影响程度只有导通电阻影响的25%左右。
 
额外地,从图中开关瞬间的曲线可以看出,阈值电压VGS(th)对开关过程影响也很小,两只器件的di/dt相差极小,但16号器件在开通和关断前产生较大的电流过冲,并且在开通和关断后电流震荡更为明显,与10号器件在开关前后的瞬间电流相差约为2.38 A,这种现象会严重影响到并联系统在开关前后的瞬态均流性能,如果并联系统中的开关频次较高,16号器件将增加系统的功耗和发热性能,影响系统整体的可靠性。
 
通过对比开关前后瞬态过程及稳态过程中的电流差值可以得出,阈值电压对于并联系统均流性能的影响主要存在于开关前后瞬间的电流过冲及振荡过程,进而影响的是整个并联电路的可靠性。造成过冲及振荡的原因主要是两只并联器件的阈值电压不相等,在同时增加栅压进行开通时,阈值电压较小的器件最先开通,并且承担主要电流,当栅压达到另一个器件的阈值电压时,该器件突然导通并分流,使得原先阈值电压较小的器件流过的电流突然减小,出现振荡跌落;
 
同样,在栅压减小进行关断时,阈值电压较大的器件首先关断,导致电流突然全部通过阈值电压较小的器件,因此该器件中的电流出现关断前的过冲。
 
 10号和16号并联后的电流波形
 
综上,在不考虑测试过程中由于电流导致的温度对器件参数影响的前提下,排除了并联系统中支路寄生参数对均流实验的影响,通过计算和双脉冲实验研究了SiC MOSFET器件特征参数分散性较差的导通电阻Rds(on)、阈值电压VGS(th)对并联系统中均流程度的影响,得到导通电阻Rds(on)和阈值电压VGS(th)对并联系统开关过程中的di/dt的影响都不显著,主要对开关前后的瞬态过程和开通后的稳态阶段均有不同程度的影响,但是影响的过程并不相同。
 
导通电阻Rds(on)对并联器件稳态运行时的分流情况影响较大,而且并联器件中Rds(on)较小的将承受更大的电流,过载时更容易烧坏器件;阈值电压VGS(th)对并联器件稳态运行时的分流影响较小,主要影响阶段是开关前后的瞬态电流,容易造成开关前后阈值电压较小的器件出现电流过冲和振荡而失效。
 
 
总体上,对比导通电阻和阈值电压对于并联系统开关全过程的影响程度,可以得出导通电阻是影响并联均流的主要特征参数,在本批次研制的1200 V 20 A的SiC MOSFET器件用于并联系统进行单器件筛选时,导通电阻是主要需要考虑的影响参数。
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