【优品论文】---碳化硅MOSFET并联均流的研究

碳化硅 MOSFET 并联均流的研究摘要：碳化硅（SiC）材料是一种新型宽禁带半导体材料。本文对 SiC MOSFET 这一种新型器件的并联均流情况进行了研究，其中搭建了双脉冲测试平台来对两路器件进行测试，并利用此平台随机选取了两块 SiC MOSFET 分别在静态和动态情况下观察了其均流情况，同时还在相同条件下测试了 Si IGBT 以进行对比。通过实验测试与分析，本文认为目前 SiC MOSFET 器件的离散度较大，同时动态不均流问题在开关速度较快（比如di/dt 高达 20A/ns）的情况下会加重。Abstract: SiC is a new kind of wind band gap material. This paper investigated the current sharing of paralleling SiC MOSFET. A double pulse tester was built to test two paralleling branches. With this tester, a careful experiment was performed to examine current sharing of 2 random SiC MOSFET chips statically and dynamically. For comparison, two Si IGBT chips were tested under the same circumstances. Through experiment and analysis, it was found that the uniformity of SiC MOSFET is not as good as the Si IGBT and the problem of current sharing is exacerbated when the devices switch faster (for instance, di/dt up to 20A/ns).关键词：碳化硅 MOSFET 双脉冲测试 并联均流Key words：SiC MOSFET, Double pulse test, Current sharing1 引言近年来，出现了许多新型宽禁带半导体材料，包括 SiC、GaN 等。这些材料对器件的性能有较大的提升，为进一步提升模块的指标提供了可能。SiC 材料由于禁带宽段宽，临界电场强度高，电子迁移率高这些优异性能在大功率应用有很大的潜能。但是实际工作下是否能够提供优越的性能，特别地，是否能应用在大功率场合需要证明。尽管现在碳化硅器件的功率等级逐渐提升，Cree 公司可以提供 1200V/60A 功率等级的 SiC MOSFET，但是市场对于兆瓦级大功率变流器的需求也是与日俱增。那么器件的并联方案逐渐被采用而成为一种趋势。在这样的大功率应用中，芯片的均流问题也随之凸显。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。由于初衷是想探究模块内部的 SiC MOSFET 芯片并联均流的情况，因此本次研究将直接对裸片进行测试。2 测试平台搭建本次研究为了测试 SiC MOSFET 的并联均流性能，采用双脉冲动态测试。通过双脉冲测试，可以获取器件在静态和动态的均流情况以进行研究。电路原理图如下图 1 所示。D CV eV gV gV eV gV e+_图 1 并联双脉冲测试电路原理图下管开关管选用 Cree 公司的 1200V/50A SiC MOSFET（为了与之比较，还会用 Infineon 公司的1200V/50A IGBT） ，上管二极管同样选用 Cree 公司的 1200V/50A SiC 二极管。为了对裸片进行测试，这里采用与模块封装相似的方法，一方面利用真空回流焊将芯片的漏极焊在PCB 板上。另一方面利用超声焊接将芯片的栅极和源极与 PCB 相连。因为本次研究是要对器件的均流问题进行研究，所以需要注意两路保持对称，特别是换流回路的对称，以免引入电路版图设计导致的不均流因素。同时为了减小寄生电感，一方面在二极管阴极和 MOSFET 源极很近的地方并联了陶瓷电容作为解耦电容，以减小高频环流回路；另一方面电路版图充分发挥了抵消效应，使环流回路的寄生电感减到更低。减小回路寄生电感的好处在于减小了关断过程的电压过冲和电路中的振荡。为了使外电路尽量一致（包括驱动） ，两路器件的栅极都用同一个驱动来控制。电压测试采用普通电压探头，因为测试母线电压为 380V，普通电压探头足够承受此电压，而且此电压探头测试带宽比差分探头宽。电流检测首先考虑到开通或关断过程持续时间较短的时候只有 10ns 左右（SiC MOSFET） ，那么测量电流的探头带宽至少要有 100MHz。同时测量电流中还包括直流分量，所以我们选取同轴电阻（ current shunt）作为电流检测设备。同轴电阻的寄生电感较小，可以测试较高频率的电流。3 均流测试与分析利用上面所述搭建的平台，对 SiC MOSFET 进行了并俩均流测试，包括静态均流和动态均流。同时为了说明碳化硅 MOSFET 的均流问题，本次研究还对同等级 Si 的 IGBT 进行了测试。测试是在室温 25、母线电压 380V 的条件下进行，测试过程中将改变工作电流观察这一参数对均流的影响。3.1 静态均流利用同轴电阻检测两路 MOSFET 在静态导通电流时，分别流过的电流，并计算出了两路的差异。这里的测试在不同大小的电流情况下分别进行了测试，测试结果如下图 2 所示。图 2 静态均流差异从上图 2 可以看到，静态时两路芯片导通电流存在差异，在 Ids=5A 时差异为 3%。这种差异性在大电流时显得更加突出，当导通电流 Ids 达到 50A 时，两路差异达到了 10%，而在对 Si IGBT 进行静态均流测试时基本看不到两路电流有明显的差异。由于我们测试的两块 MOSFET 芯片是随机选取的，本文认为产生这种差异性的一大原因是 SiC MOSFET 器件的离散度较大。3.2 动态均流本次研究不仅观察了 SiC MOSFET 在静态的均流情况，还观察了在动态开关过程中的两路均流情况。由于开关过程电流是变化的，所以我们选用的比较指标是开关过程的功率损耗。下图 3 所示为 SiC MOSFET 每路工作在 50A 时的 a）开通波形 b）关断波形。SiC MOSFET 双脉冲测试：（a）开通波形（b）关断波形从开通波形上可以看到两路 MOSFET 的开通电流存在较大差异，首先两路 di/dt 不同，左路快于右路，其次峰值电流（I peak）也是左路大于右路，高了近 30A。从关断波形上可以看到两路 MOSFET 的关断电流同样存在较大差异，首先关断前的电流（可以看成静态电流）有差异，其次与开通相似，两路电流下降的 di/dt 不同，左路快于右路。为了与 SiC MOSFET 的测试结果进行比较，本次研究还测试了 Si IGBT 并联时的波形，如下图 4 所示为 Si IGBT 每路工作在 40A 时的 a）开通波形 b）关断波形。图 3 Si IGBT 双脉冲测试：（a）开通波形（b）关断波形从上图 4 可以看到，IGBT 的开通存在较明显不均流，右路的 di/dt 大于左路，右路峰值电流比左路高了 10A（SiC MOSFET 两路 Ipeak 差了 30A） 。IGBT 关断则没有非常明显的不均流现象，只在拖尾电流部分存在少量的电流差异。因此从波形上看，不论是开通还是关断 Si IGBT 均流都好于 SiC MOSFET。值得一提的是，在开关过程中，SiC MOSFET 和 Si IGBT 的开关速度（di/dt）不同。SiC MOSFET 有一路在开通过程电流的 di/dt 达到了 20A/ns，而 Si IGBT 开通时电流 di/dt 最高的一路只有 5A/ns，比MOSFET 低了不少。关断过程中，由于 IGBT 存在拖尾电流，完全关断的时间（150ns）比 SiC MOSFET（15ns）长了很多。开通关断两方面都说明 SiC MOSFET 的开关速度比 Si IGBT 快，速度优势明显。下面从损耗的角度来比较 SiC MOSFET 和 Si IGBT 的均流情况。方法是将每一时刻的电流乘以电压就得到瞬时的功率，再进行积分就得到单次开关的损耗。计算出开通和关断过程中两路 SiC MOSFET 的损耗差异，如下图 3 所示。图 4 开通和关断 SiC MOSFET 两路损耗差异可以看到 SiC MOSFET 的开关损耗差异比较明显，不同工作电流时，开通损耗差异在 25%-29%之间，关断损耗差异在 20%-33%之间。这与用同样测试方法同样条件，测试的 Si IGBT（开通 12%以下，关断19%以下）相比，两路的损耗差异大了不少。从上面所述的两路 MOSFET 的静态电流差异和开关损耗差异，可以看到 SiC MOSFET 存在较明显的并联不均流问题，造成这一现象的原因我们认为主要有两方面，其一是器件离散度较大。本次研究随机抽取了两块芯片进行测试，在电路设计基本一致的情况下，从测试结果来看，两块芯片在静态电流和动态损耗两方面都存在明显差异。其二是 SiC MOSFET 的开关速度太快（di/dt 最大达到了 20A/ns） 。开关速度太快导致芯片的不一致性乃至电路的细微差别被放大，测试观察到的不均流现象加重。4 总结碳化硅（SiC ）材料是一种新型宽禁带半导体材料。本次研究搭建了一个可以进行两路并联测试和适合直接测试裸片的双脉冲测试平台。并且通过此平台观察了 SiC MOSFET 分别在静态和动态情况下的均流情况，发现静态和动态 SiC MOSFET 并联不均流现象都较为明显。本文认为静态不均流主要是由于 SiC MOSFET 器件离散度较大；而动态不均流，一方面同样是由于器件离散度较大，另一方面，开关速度较快也是造成动态不均流现象的重要因素。当然需要指出的是，本次研究只是基于随机选取的一对 SiC MOSFET 和一对 Si IGBT 芯片进行测试，这样得到的结果可能带有随机性，不一定具备代表性。后期应该要开展更多样品的可靠的动静态实验。参考文献1. Cui Y, Chinthavali M S, Xu F, et al. Characterization and modeling of silicon carbide power devices and paralleling operationC/Industrial Electronics （ISIE）, 2012 IEEE International Symposium on. IEEE, 2012: 228-233.2. Sadik D P, Colmenares J, Peftitsis D, et al. Experimental investigations of static and transient current sharing of parallel-connected silicon carbide MOSFETsC/Power Electronics and Applications （EPE ）, 2013 15th European Conference on. IEEE, 2013: 1-10.3. Nelson J J, Venkataramanan G, Beihoff B C. Investigation of parallel operation of IGBTsC/Industry Applications Conference, 2002. 37th IAS Annual Meeting. Conference Record of the. IEEE, 2002, 4: 2585-2591.4. Laimer G, Kolar J W. Accurate measurement of the switching losses of ultra high switching speed CoolMOS power transistor/SiC diode combination employed in unity power factor PWM rectifier systemsC/Proc. PCIM. 2002: 14-16.5. Witcher J B. Methodology for switching characterization of power devices and modulesD. Virginia Polytechnic Institute and State University, 2003.6. 陈娜, 何湘宁, 邓焰, 等