【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(duì) 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(cè)試平臺(tái)來(lái)對(duì)兩路器件進(jìn)行測(cè)試，并利用此平臺(tái)隨機(jī)選取了兩塊 SiC MOSFET 分別在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下觀察了其均流情況，同時(shí)還在相同條件下測(cè)試了 Si IGBT 以進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析，本文認(rèn)為目前 SiC MOSFET 器件的離散度較大，同時(shí)動(dòng)態(tài)不均流問(wèn)題在開關(guān)速度較快（比如di/dt 高達(dá) 20A/ns）的情況下會(huì)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(cè)試 并聯(lián)均流Key words：SiC MOSFET, Double pulse test, Current sharing1 引言近年來(lái)，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(duì)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(chǎng)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(shí)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(chǎng)合需要證明。盡管現(xiàn)在碳化硅器件的功率等級(jí)逐漸提升，Cree 公司可以提供 1200V/60A 功率等級(jí)的 SiC MOSFET，但是市場(chǎng)對(duì)于兆瓦級(jí)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(shì)。在這樣的大功率應(yīng)用中，芯片的均流問(wèn)題也隨之凸顯。并聯(lián)必然會(huì)由于器件，回路和驅(qū)動(dòng)的差異而產(chǎn)生不同程度的不均流問(wèn)題。器件不均流會(huì)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(shí)總的功率就被溫度最高的器件所限定。因此 SiC MOSFET 的均流問(wèn)題對(duì)于其并聯(lián)以擴(kuò)大功率等級(jí)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(duì)裸片進(jìn)行測(cè)試。2 測(cè)試平臺(tái)搭建本次研究為了測(cè)試 SiC MOSFET 的并聯(lián)均流性能，采用雙脈沖動(dòng)態(tài)測(cè)試。通過(guò)雙脈沖測(cè)試，可以獲取器件在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的均流情況以進(jìn)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(cè)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(huì)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(duì)裸片進(jìn)行測(cè)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?yàn)楸敬窝芯渴且獙?duì)器件的均流問(wèn)題進(jìn)行研究，所以需要注意兩路保持對(duì)稱，特別是換流回路的對(duì)稱，以免引入電路版圖設(shè)計(jì)導(dǎo)致的不均流因素。同時(shí)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(guò)程的電壓過(guò)沖和電路中的振蕩。為了使外電路盡量一致（包括驅(qū)動(dòng)） ，兩路器件的柵極都用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制。電壓測(cè)試采用普通電壓探頭，因?yàn)闇y(cè)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(cè)試帶寬比差分探頭寬。電流檢測(cè)首先考慮到開通或關(guān)斷過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短的時(shí)候只有 10ns 左右（SiC MOSFET） ，那么測(cè)量電流的探頭帶寬至少要有 100MHz。同時(shí)測(cè)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(cè)設(shè)備。同軸電阻的寄生電感較小，可以測(cè)試較高頻率的電流。3 均流測(cè)試與分析利用上面所述搭建的平臺(tái)，對(duì) SiC MOSFET 進(jìn)行了并倆均流測(cè)試，包括靜態(tài)均流和動(dòng)態(tài)均流。同時(shí)為了說(shuō)明碳化硅 MOSFET 的均流問(wèn)題，本次研究還對(duì)同等級(jí) Si 的 IGBT 進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試是在室溫 25、母線電壓 380V 的條件下進(jìn)行，測(cè)試過(guò)程中將改變工作電流觀察這一參數(shù)對(duì)均流的影響。3.1 靜態(tài)均流利用同軸電阻檢測(cè)兩路 MOSFET 在靜態(tài)導(dǎo)通電流時(shí)，分別流過(guò)的電流，并計(jì)算出了兩路的差異。這里的測(cè)試在不同大小的電流情況下分別進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)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(shí)兩路芯片導(dǎo)通電流存在差異，在 Ids=5A 時(shí)差異為 3%。這種差異性在大電流時(shí)顯得更加突出，當(dāng)導(dǎo)通電流 Ids 達(dá)到 50A 時(shí)，兩路差異達(dá)到了 10%，而在對(duì) Si IGBT 進(jìn)行靜態(tài)均流測(cè)試時(shí)基本看不到兩路電流有明顯的差異。由于我們測(cè)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(dòng)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(dòng)態(tài)開關(guān)過(guò)程中的兩路均流情況。由于開關(guān)過(guò)程電流是變化的，所以我們選用的比較指標(biāo)是開關(guān)過(guò)程的功率損耗。下圖 3 所示為 SiC MOSFET 每路工作在 50A 時(shí)的 a）開通波形 b）關(guān)斷波形。SiC MOSFET 雙脈沖測(cè)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(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，本次研究還測(cè)試了 Si IGBT 并聯(lián)時(shí)的波形，如下圖 4 所示為 Si IGBT 每路工作在 40A 時(shí)的 a）開通波形 b）關(guān)斷波形。圖 3 Si IGBT 雙脈沖測(cè)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(méi)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(guò)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(guò)程電流的 di/dt 達(dá)到了 20A/ns，而 Si IGBT 開通時(shí)電流 di/dt 最高的一路只有 5A/ns，比MOSFET 低了不少。關(guān)斷過(guò)程中，由于 IGBT 存在拖尾電流，完全關(guān)斷的時(shí)間（150ns）比 SiC MOSFET（15ns）長(zhǎng)了很多。開通關(guān)斷兩方面都說(shuō)明 SiC MOSFET 的開關(guān)速度比 Si IGBT 快，速度優(yōu)勢(shì)明顯。下面從損耗的角度來(lái)比較 SiC MOSFET 和 Si IGBT 的均流情況。方法是將每一時(shí)刻的電流乘以電壓就得到瞬時(shí)的功率，再進(jìn)行積分就得到單次開關(guān)的損耗。計(jì)算出開通和關(guān)斷過(guò)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(shí)，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(cè)試方法同樣條件，測(cè)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(wèn)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(cè)試，在電路設(shè)計(jì)基本一致的情況下，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，兩塊芯片在靜態(tài)電流和動(dòng)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(cè)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(gè)可以進(jìn)行兩路并聯(lián)測(cè)試和適合直接測(cè)試裸片的雙脈沖測(cè)試平臺(tái)。并且通過(guò)此平臺(tái)觀察了 SiC MOSFET 分別在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下的均流情況，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)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 器件離散度較大；而動(dòng)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(dòng)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(duì) SiC MOSFET 和一對(duì) Si IGBT 芯片進(jìn)行測(cè)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。后期應(yīng)該要開展更多樣品的可靠的動(dòng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)1. 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