【優(yōu)品論文】---碳化硅MOSFET并聯(lián)均流的研究

碳化硅 MOSFET 并聯(lián)均流的研究摘要：碳化硅（SiC）材料是一種新型寬禁帶半導(dǎo)體材料。本文對 SiC MOSFET 這一種新型器件的并聯(lián)均流情況進行了研究，其中搭建了雙脈沖測試平臺來對兩路器件進行測試，并利用此平臺隨機選取了兩塊 SiC MOSFET 分別在靜態(tài)和動態(tài)情況下觀察了其均流情況，同時還在相同條件下測試了 Si IGBT 以進行對比。通過實驗測試與分析，本文認為目前 SiC MOSFET 器件的離散度較大，同時動態(tài)不均流問題在開關(guān)速度較快（比如di/dt 高達 20A/ns）的情況下會加重。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).關(guān)鍵詞：碳化硅 MOSFET 雙脈沖測試 并聯(lián)均流Key words：SiC MOSFET, Double pulse test, Current sharing1 引言近年來，出現(xiàn)了許多新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，包括 SiC、GaN 等。這些材料對器件的性能有較大的提升，為進一步提升模塊的指標提供了可能。SiC 材料由于禁帶寬段寬，臨界電場強度高，電子遷移率高這些優(yōu)異性能在大功率應(yīng)用有很大的潛能。但是實際工作下是否能夠提供優(yōu)越的性能，特別地，是否能應(yīng)用在大功率場合需要證明。盡管現(xiàn)在碳化硅器件的功率等級逐漸提升，Cree 公司可以提供 1200V/60A 功率等級的 SiC MOSFET，但是市場對于兆瓦級大功率變流器的需求也是與日俱增。那么器件的并聯(lián)方案逐漸被采用而成為一種趨勢。在這樣的大功率應(yīng)用中，芯片的均流問題也隨之凸顯。并聯(lián)必然會由于器件，回路和驅(qū)動的差異而產(chǎn)生不同程度的不均流問題。器件不均流會使得器件的損耗不同，發(fā)熱不同。在穩(wěn)定工作狀態(tài)，不同芯片之間必然有一定的溫度差，才能保持此穩(wěn)定工作狀態(tài)。這時總的功率就被溫度最高的器件所限定。因此 SiC MOSFET 的均流問題對于其并聯(lián)以擴大功率等級有著重要的意義。由于初衷是想探究模塊內(nèi)部的 SiC MOSFET 芯片并聯(lián)均流的情況，因此本次研究將直接對裸片進行測試。2 測試平臺搭建本次研究為了測試 SiC MOSFET 的并聯(lián)均流性能，采用雙脈沖動態(tài)測試。通過雙脈沖測試，可以獲取器件在靜態(tài)和動態(tài)的均流情況以進行研究。電路原理圖如下圖 1 所示。D CV eV gV gV eV gV e+_圖 1 并聯(lián)雙脈沖測試電路原理圖下管開關(guān)管選用 Cree 公司的 1200V/50A SiC MOSFET（為了與之比較，還會用 Infineon 公司的1200V/50A IGBT） ，上管二極管同樣選用 Cree 公司的 1200V/50A SiC 二極管。為了對裸片進行測試，這里采用與模塊封裝相似的方法，一方面利用真空回流焊將芯片的漏極焊在PCB 板上。另一方面利用超聲焊接將芯片的柵極和源極與 PCB 相連。因為本次研究是要對器件的均流問題進行研究，所以需要注意兩路保持對稱，特別是換流回路的對稱，以免引入電路版圖設(shè)計導(dǎo)致的不均流因素。同時為了減小寄生電感，一方面在二極管陰極和 MOSFET 源極很近的地方并聯(lián)了陶瓷電容作為解耦電容，以減小高頻環(huán)流回路；另一方面電路版圖充分發(fā)揮了抵消效應(yīng)，使環(huán)流回路的寄生電感減到更低。減小回路寄生電感的好處在于減小了關(guān)斷過程的電壓過沖和電路中的振蕩。為了使外電路盡量一致（包括驅(qū)動） ，兩路器件的柵極都用同一個驅(qū)動來控制。電壓測試采用普通電壓探頭，因為測試母線電壓為 380V，普通電壓探頭足夠承受此電壓，而且此電壓探頭測試帶寬比差分探頭寬。電流檢測首先考慮到開通或關(guān)斷過程持續(xù)時間較短的時候只有 10ns 左右（SiC MOSFET） ，那么測量電流的探頭帶寬至少要有 100MHz。同時測量電流中還包括直流分量，所以我們選取同軸電阻（ current shunt）作為電流檢測設(shè)備。同軸電阻的寄生電感較小，可以測試較高頻率的電流。3 均流測試與分析利用上面所述搭建的平臺，對 SiC MOSFET 進行了并倆均流測試，包括靜態(tài)均流和動態(tài)均流。同時為了說明碳化硅 MOSFET 的均流問題，本次研究還對同等級 Si 的 IGBT 進行了測試。測試是在室溫 25、母線電壓 380V 的條件下進行，測試過程中將改變工作電流觀察這一參數(shù)對均流的影響。3.1 靜態(tài)均流利用同軸電阻檢測兩路 MOSFET 在靜態(tài)導(dǎo)通電流時，分別流過的電流，并計算出了兩路的差異。這里的測試在不同大小的電流情況下分別進行了測試，測試結(jié)果如下圖 2 所示。圖 2 靜態(tài)均流差異從上圖 2 可以看到，靜態(tài)時兩路芯片導(dǎo)通電流存在差異，在 Ids=5A 時差異為 3%。這種差異性在大電流時顯得更加突出，當導(dǎo)通電流 Ids 達到 50A 時，兩路差異達到了 10%，而在對 Si IGBT 進行靜態(tài)均流測試時基本看不到兩路電流有明顯的差異。由于我們測試的兩塊 MOSFET 芯片是隨機選取的，本文認為產(chǎn)生這種差異性的一大原因是 SiC MOSFET 器件的離散度較大。3.2 動態(tài)均流本次研究不僅觀察了 SiC MOSFET 在靜態(tài)的均流情況，還觀察了在動態(tài)開關(guān)過程中的兩路均流情況。由于開關(guān)過程電流是變化的，所以我們選用的比較指標是開關(guān)過程的功率損耗。下圖 3 所示為 SiC MOSFET 每路工作在 50A 時的 a）開通波形 b）關(guān)斷波形。SiC MOSFET 雙脈沖測試：（a）開通波形（b）關(guān)斷波形從開通波形上可以看到兩路 MOSFET 的開通電流存在較大差異，首先兩路 di/dt 不同，左路快于右路，其次峰值電流（I peak）也是左路大于右路，高了近 30A。從關(guān)斷波形上可以看到兩路 MOSFET 的關(guān)斷電流同樣存在較大差異，首先關(guān)斷前的電流（可以看成靜態(tài)電流）有差異，其次與開通相似，兩路電流下降的 di/dt 不同，左路快于右路。為了與 SiC MOSFET 的測試結(jié)果進行比較，本次研究還測試了 Si IGBT 并聯(lián)時的波形，如下圖 4 所示為 Si IGBT 每路工作在 40A 時的 a）開通波形 b）關(guān)斷波形。圖 3 Si IGBT 雙脈沖測試：（a）開通波形（b）關(guān)斷波形從上圖 4 可以看到，IGBT 的開通存在較明顯不均流，右路的 di/dt 大于左路，右路峰值電流比左路高了 10A（SiC MOSFET 兩路 Ipeak 差了 30A） 。IGBT 關(guān)斷則沒有非常明顯的不均流現(xiàn)象，只在拖尾電流部分存在少量的電流差異。因此從波形上看，不論是開通還是關(guān)斷 Si IGBT 均流都好于 SiC MOSFET。值得一提的是，在開關(guān)過程中，SiC MOSFET 和 Si IGBT 的開關(guān)速度（di/dt）不同。SiC MOSFET 有一路在開通過程電流的 di/dt 達到了 20A/ns，而 Si IGBT 開通時電流 di/dt 最高的一路只有 5A/ns，比MOSFET 低了不少。關(guān)斷過程中，由于 IGBT 存在拖尾電流，完全關(guān)斷的時間（150ns）比 SiC MOSFET（15ns）長了很多。開通關(guān)斷兩方面都說明 SiC MOSFET 的開關(guān)速度比 Si IGBT 快，速度優(yōu)勢明顯。下面從損耗的角度來比較 SiC MOSFET 和 Si IGBT 的均流情況。方法是將每一時刻的電流乘以電壓就得到瞬時的功率，再進行積分就得到單次開關(guān)的損耗。計算出開通和關(guān)斷過程中兩路 SiC MOSFET 的損耗差異，如下圖 3 所示。圖 4 開通和關(guān)斷 SiC MOSFET 兩路損耗差異可以看到 SiC MOSFET 的開關(guān)損耗差異比較明顯，不同工作電流時，開通損耗差異在 25%-29%之間，關(guān)斷損耗差異在 20%-33%之間。這與用同樣測試方法同樣條件，測試的 Si IGBT（開通 12%以下，關(guān)斷19%以下）相比，兩路的損耗差異大了不少。從上面所述的兩路 MOSFET 的靜態(tài)電流差異和開關(guān)損耗差異，可以看到 SiC MOSFET 存在較明顯的并聯(lián)不均流問題，造成這一現(xiàn)象的原因我們認為主要有兩方面，其一是器件離散度較大。本次研究隨機抽取了兩塊芯片進行測試，在電路設(shè)計基本一致的情況下，從測試結(jié)果來看，兩塊芯片在靜態(tài)電流和動態(tài)損耗兩方面都存在明顯差異。其二是 SiC MOSFET 的開關(guān)速度太快（di/dt 最大達到了 20A/ns） 。開關(guān)速度太快導(dǎo)致芯片的不一致性乃至電路的細微差別被放大，測試觀察到的不均流現(xiàn)象加重。4 總結(jié)碳化硅（SiC ）材料是一種新型寬禁帶半導(dǎo)體材料。本次研究搭建了一個可以進行兩路并聯(lián)測試和適合直接測試裸片的雙脈沖測試平臺。并且通過此平臺觀察了 SiC MOSFET 分別在靜態(tài)和動態(tài)情況下的均流情況，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài) SiC MOSFET 并聯(lián)不均流現(xiàn)象都較為明顯。本文認為靜態(tài)不均流主要是由于 SiC MOSFET 器件離散度較大；而動態(tài)不均流，一方面同樣是由于器件離散度較大，另一方面，開關(guān)速度較快也是造成動態(tài)不均流現(xiàn)象的重要因素。當然需要指出的是，本次研究只是基于隨機選取的一對 SiC MOSFET 和一對 Si IGBT 芯片進行測試，這樣得到的結(jié)果可能帶有隨機性，不一定具備代表性。后期應(yīng)該要開展更多樣品的可靠的動靜態(tài)實驗。參考文獻1. 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