碳化硅MOSFET并聯(lián)均流的研究

1、碳化硅 MOSFET 并聯(lián)均流的研究王珩宇 1，吳新科 1，郭清 1，盛況 1（1 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027）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(jìn)行了研究，其中搭建了雙脈沖測試平臺來對兩路器件進(jìn)行測試，并利用此平臺隨機(jī)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(jìn)行對比。通過實驗測試與分析，本文認(rèn)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(dá) 20A/ns）的情況下會加重

2、。關(guān)鍵詞碳化硅 MOSFET雙脈沖測試并聯(lián)均流1.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(jìn)一步提升模塊的指標(biāo)提供了可能。SiC 材料由于禁帶寬段寬，臨界電場強(qiáng)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

3、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(kuò)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 SiCMOSFET 芯片并聯(lián)均流的情況，因此本次研究將直接對裸片進(jìn)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(jìn)行研究。電路原理圖如下圖 1 所示。

4、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。_+VeDCVgVg VgVe Ve圖 1 并聯(lián)雙脈沖測試電路原理圖為了對裸片進(jìn)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(jìn)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

5、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），那么根據(jù)文獻(xiàn)1所述，測量電流的探頭帶寬至少要有 100MHz。同時測量電流中還

6、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(jìn)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(jìn)行了測試。測試是在室溫 25 、母線電壓 380V 的條件下進(jìn)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(jìn)行了測試

7、，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(dāng)導(dǎo)通電流 Ids 達(dá)到 50A 時，兩路差異達(dá)到了 10%，而在對 Si IGBT 進(jìn)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(jī)選取的，本文認(rèn)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(biāo)是

8、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。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（Ipeak）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。（a）開通波形（b）關(guān)斷波形圖 3 SiC MOSFET 雙脈沖測試為了與 SiC MOSFET 的測試結(jié)果進(jìn)行比較，本次研究還測試了 Si IG

9、BT 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。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/d

10、t 達(dá)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。（a）開通波形（b）關(guān)斷波形圖 4 Si IGBT 雙脈沖測試下面從損耗的角度來比較 SiC MOSFET 和 SiIGBT 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(jìn)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

11、 的損耗差異，如下圖 5 所示。圖 5 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(rèn)為主要有兩方面，其一是器件離散度較大。本次研究隨機(jī)抽取了兩塊芯片進(jìn)行測試，在電路設(shè)計基本一致的情況下，從

12、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(dá)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(xì)微差別被放大，測試觀察到的不均流現(xiàn)象加重。本次研究主要是通過實驗來探究 SiC MOSFET 的并聯(lián)均流性能，由于時間有限所以無法進(jìn)行深入的理論論證。這里需要指出的是，本次實驗存在以下三方面的不確定性，這些不確定性都可能導(dǎo)致我們所看到的器件不均流現(xiàn)象。1）器件本身的差異。多個器件之間存在離散度，體現(xiàn)在器件自身的結(jié)電容、閾值電壓以及電阻的不同。2）同軸電阻（Current shunt）的差異。包括兩個同軸電

13、阻的自身的電阻值、寄生電感以及由于安裝產(chǎn)生的接觸電阻這三部分的差異。3）電路的差異，包括主回路和驅(qū)動回路。盡管兩路電路版圖設(shè)計一致，但是實際制作出來的電路存在差異，比如鍵合線的長短不同導(dǎo)致回路的寄生電感不同。上述三方面的不確定性都有可能導(dǎo)致兩路器件的不均流現(xiàn)象。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(jìn)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(rèn)為靜態(tài)不均流主要是由于 SiC MOSFET 器件離散度

14、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(dāng)然需要指出的是，本次研究只是基于隨機(jī)選取的一對 SiC MOSFET 和一對 Si IGBT 芯片進(jìn)行測試，這樣得到的結(jié)果可能帶有隨機(jī)性，不一定具備代表性。最后本文也指出了此次實驗存在的三方面不確定性。由此，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(xiàn)1 陳娜, 何湘寧, 鄧焰, 等. 離線式 IGBT 開關(guān)特性測試技術(shù)綜述. 通信電源技術(shù), 2009, 26（6）,pp. 1-5.2 Cui Y, Chinthavali M S, Xu F, et al, “Character

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