【導讀】以對稱的布板設計來實現4個6毫歐的碳化硅模塊的并聯，給出了實際的測量結果。最后還通過門特卡羅分析來演繹批量器件應用在并聯場合下的溫度偏差。由此可以看出碳化硅MOSFET并聯使用的可行性。
用硅IGBT的工程師們很多曾經有過并聯器件的使用經歷，它不僅能降低成本還能減小整體系統分布電感。那么對于新一代的半導體器件SiC而言，是否一樣可以并聯使用呢？以下就以4個英飛凌6mohm的SiC模塊的硬并聯為例，來一起看看實現的可行性。
任何的同一料號開關器件并聯，均流總是最重要的目的，這關系到整個系統的最終功率等級，所以如何做到均流就會是一個挑戰。一般我們會按動態均流和靜態均流分別討論它。動態均流和系統設計有很大的關系，包括門極驅動，母排結構，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。而靜態均流和器件本身以及結構的幾何形態關系密切，得益于如今市場上大部分的功率半導體是正溫度系數的，所以靜態均流比較容易實現，對器件批次的參數差異要求不多，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構。由于要實現最小的電流回路，整個系統做成了分開的主功率板和驅動電路板，用接插針來連結兩塊板子，如圖1所示。這樣的好處是4路驅動到4個并聯模塊的距離相等。再來看一下主功率板的布局如圖2。用多層PCB來實現多層母線的結構，這樣的雜散電感很小，每路只有大約19nH，4個并聯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板上是要去掉的，去掉后母排疊層區域面積變大，系統的雜散電感會進一步減小的。
圖1.雙層結構的電路設計
圖2.主功率板的布局
圖3.單個主回路
圖4.模塊管腳布局
圖5.門極驅動的樹形結構
這么對稱的母排和驅動，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果。需要說明的是測試所用的雙脈沖測試電路結構是全橋的，并非常規用的半橋模式，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，所以在續流是可以使用同步整流模式，但要留出一定的死區時間，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電流進行比較，這樣能保證器件并聯后達到最大的輸出電流。圖8和圖9分別是4個并聯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
以上的這些測試結果都是針對數量有限的模塊的，那么對于批量的產品而言，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的次數繪成柱狀圖就是圖11。
圖10.蒙特卡洛過程
圖11.并聯溫度偏差
結束語
SiC器件的并聯肯定是可行的，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流時的均流，特別對二極管損耗占比偏高的應用大益。
來源：英飛凌
參考文獻
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