碳化硅mosfet并聯均流的研究.doc

碳化硅MOSFET并联均流的研究 Investigation of current sharing of paralleling SiC MOSFET 王珩宇1，吴新科1，郭清1，盛况1 （1浙江大学电气工程学院，杭州 310027） 摘要：碳化硅（SiC）材料是一种新型宽禁带半导体材料。本文对SiC MOSFET这一种新型器件的并联均流情况进行了研究，其中搭建了双脉冲测试平台来对两路器件进行测试，并利用此平台随机选取了两块SiC MOSFET分别在静态和动态情况下观察了其均流情况，同时还在相同条件下测试了Si IGBT以进行对比。通过实验测试与分析，本文认为目前SiC MOSFET器件的离散度较大，同时动态不均流问题在开关速度较快（比如di/dt高达20A/ns）的情况下会加重。 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). 关键词：碳化硅MOSFET 双脉冲测试 并联均流 Key words：SiC MOSFET, Double pulse test, Current sharing 1 引言 近年来，出现了许多新型宽禁带半导体材料，包括SiC、GaN等。这些材料对器件的性能有较大的提升，为进一步提升模块的指标提供了可能。SiC材料由于禁带宽段宽，临界电场强度高，电子迁移率高这些优异性能在大功率应用有很大的潜能。但是实际工作下是否能够提供优越的性能，特别地，是否能应用在大功率场合需要证明。 尽管现在碳化硅器件的功率等级逐渐提升，Cree公司可以提供1200V/60A功率等级的SiC MOSFET，但是市场对于兆瓦级大功率变流器的需求也是与日俱增。那么器件的并联方案逐渐被采用而成为一种趋势。 在这样的大功率应用中，芯片的均流问题也随之凸显。并联必然会由于器件，回路和驱动的差异而产生不同程度的不均流问题。器件不均流会使得器件的损耗不同，发热不同。在稳定工作状态，不同芯片之间必然有一定的温度差，才能保持此稳定工作状态。这时总的功率就被温度最高的器件所限定。因此SiC MOSFET的均流问题对于其并联以扩大功率等级有着重要的意义。由于初衷是想探究模块内部的SiC MOSFET芯片并联均流的情况，因此本次研究将直接对裸片进行测试。 2 测试平台搭建 本次研究为了测试SiC MOSFET的并联均流性能，采用双脉冲动态测试。通过双脉冲测试，可以获取器件在静态和动态的均流情况以进行研究。电路原理图如下图1所示。 图 1 并联双脉冲测试电路原理图 下管开关管选用Cree公司的1200V/50A SiC MOSFET（为了与之比较，还会用Infineon公司的1200V/50A IGBT），上管二极管同样选用Cree公司的1200V/50A SiC二极管。 为了对裸片进行测试，这里采用与模块封装相似的方法，一方面利用真空回流焊将芯片的漏极焊在PCB板上。另一方面利用超声焊接将芯片的栅极和源极与PCB相连。因为本次研究是要对器件的均流问题进行研究，所以需要注意两路保持对称，特别是换流回路的对称，以免引入电路版图设计导致的不均流因素。同时为了减小寄生电感，一方面在二极管阴极和MOSFET源极很近的地方并联了陶瓷电容作为解耦电容，以减小高频环流回路；另一方面电路版图充分发挥了抵消效应，使环流回路的寄生电感减到更低。减小回路寄生电感