SiC MOSFET并聯(lián)均流技術(shù)的研究

高 凡

（西安特銳德智能充電科技有限公司，西安 710077）

1 引言

近年來(lái)，隨著SiC MOSFET器件的可靠性不斷提高，加上自身成本的逐漸降低，使得SiC MOSFET在中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越廣泛。由于SiC MOSFET較傳統(tǒng)的硅基器件具有更高開(kāi)關(guān)頻率、適應(yīng)高溫場(chǎng)合等顯著特點(diǎn)，可以使電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。但是，由于生產(chǎn)成本、制造工藝等因數(shù)的限制，導(dǎo)致單個(gè)SiC MOSFET的通流能力有限，其單個(gè)容量依然無(wú)法滿足大容量電力電子設(shè)備，因此只能通過(guò)對(duì)SiC MOSFET并聯(lián)的方式進(jìn)行擴(kuò)容，來(lái)滿足大功率場(chǎng)合的需求。由于并聯(lián)器件在主功率回路中參數(shù)的不一致性，不可避免的會(huì)出現(xiàn)各個(gè)支路電流不均衡的問(wèn)題。電流的不均衡問(wèn)題主要分為靜態(tài)電流和動(dòng)態(tài)電流的不均衡。這種電流的不均衡將對(duì)SiC MOSFET模塊帶來(lái)不容忽視的危害，主要體現(xiàn)在并聯(lián)模塊損耗差異性、模塊電流和電壓應(yīng)力的差異性以及開(kāi)關(guān)速度的差異性，這種差異會(huì)導(dǎo)致單個(gè)器件長(zhǎng)時(shí)間處于損耗、應(yīng)力過(guò)大而損壞，進(jìn)而對(duì)其他并聯(lián)的器件以及整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)危害。

2 并聯(lián)模塊的不均流因素分析

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)SiC MOSFET并聯(lián)不均流的原因展開(kāi)了廣泛的研究，其主要包括模塊本身參數(shù)設(shè)計(jì)、主功率回路寄生參數(shù)、不同應(yīng)用場(chǎng)合的溫度變化等對(duì)并聯(lián)模塊電流不均流的影響，表1從模塊并聯(lián)不均流的靜態(tài)因素及動(dòng)態(tài)因素進(jìn)行了列舉。

表1 不均流主要因素

3 SiC MOSFET并聯(lián)均流設(shè)計(jì)方法

3.1 均流電路特性分析

在功率回路中，寄生電感可分為3大類(lèi)：開(kāi)關(guān)環(huán)路雜散電感、共源極雜散電感和柵極回路雜散電感。寄生電容主要包括CGS柵源極間寄生電容、CGD漏柵極間寄生電容、CDS漏源極間寄生電容。

在理想情況下，不考慮上述電路寄生參數(shù)及各種因素對(duì)并聯(lián)均流模塊的影響，在兩個(gè)并聯(lián)的SiC MOSFET主功率回路中串入一個(gè)耦合電感，當(dāng)兩個(gè)支路的電流同時(shí)流入耦合電感時(shí)，電感線圈會(huì)產(chǎn)生大小相等，方向相反的磁通量，從而電感總的磁通量為零，對(duì)電流不起作用。在實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境中，由于功率回路中各種寄生參數(shù)以及器件分散性、溫度等的影響，兩個(gè)支路的電流會(huì)有所偏差，則通過(guò)電感時(shí)會(huì)在磁芯中產(chǎn)生磁通，從而會(huì)在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，由于電流偏差所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使不平衡電流為零，從而能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)支路的電流均流。

3.2 均流電路的設(shè)計(jì)

通過(guò)以上分析可知，在SiC MOSFET并聯(lián)主功率回路中加入耦合電感可有效的抑制不均流現(xiàn)象，具體電路如圖1所示。

圖1 耦合電感抑制不均流原理圖

在上圖中，耦合電感的兩個(gè)線圈匝數(shù)相等，兩個(gè)支路的電流不平衡時(shí)，線圈中激勵(lì)電感Lm上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)u為

式中，n為線圈匝數(shù)；?id流過(guò)兩個(gè)線圈電流差值；?Ф=?BS。

若耦合電感的磁芯內(nèi)徑為Dmin，外徑為Dmax，高度為h，兩個(gè)支路不均流時(shí)，則在兩個(gè)線圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度為H1、H2，可得出：

式中，?B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；μ0為空氣磁導(dǎo)率；S為線圈的截面積，由式（2）可得：

由式（1）和（4）可得出：

由式（5）可得出：

通過(guò)上式可以看出，磁芯的材質(zhì)、線圈匝數(shù)、磁芯的大小都對(duì)支路電流的均衡度有影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，由于SiC材料的特性，相比于傳統(tǒng)的硅襯底MOSFET及IGBT，SiC MOSFET在高頻、高溫的應(yīng)用場(chǎng)景日益凸顯。而模塊在并聯(lián)的過(guò)程中產(chǎn)生的不均流問(wèn)題，可以通過(guò)耦合電感來(lái)解決。但是，影響并聯(lián)模塊不均流的因素還有很多，諸如器件自身參數(shù)分散性、外界溫度、主功率回路等都將對(duì)并聯(lián)模塊造成不均流現(xiàn)象，所以對(duì)于SiC MOSFET均流方法的進(jìn)一步研究非常有必要。