【導(dǎo)讀】關(guān)于SiC MOSFET的并聯(lián)問題，英飛凌已陸續(xù)推出了很多技術(shù)資料，幫助大家更好的理解與應(yīng)用。此文章將借助器件SPICE模型與Simetrix仿真環(huán)境，分析SiC MOSFET單管在并聯(lián)條件下的均流特性。
特別提醒
仿真無法替代實(shí)驗(yàn)，僅供參考。
1、選取仿真研究對(duì)象
SiC MOSFET
IMZ120R045M1(1200V/45mΩ)、TO247-4pin、兩并聯(lián)
Driver IC
1EDI40I12AF、單通道、磁隔離、驅(qū)動(dòng)電流±4A(min)
2、仿真電路Setup
如圖1所示，基于雙脈沖的思路，搭建雙管并聯(lián)的主回路和驅(qū)動(dòng)回路，并設(shè)置相關(guān)雜散參數(shù)，環(huán)境溫度為室溫。
外部主回路：直流源800Vdc、母線電容Capacitor(含寄生參數(shù))、母線電容與半橋電路之間的雜散電感Ldc_P和Ldc_N、雙脈沖電感Ls_DPT
并聯(lián)主回路：整體為半橋結(jié)構(gòu)，雙脈沖驅(qū)動(dòng)下橋SiC MOSFET，與上橋的SiC MOSFET Body Diode進(jìn)行換流。下橋?yàn)镼11和Q12兩顆IMZ120R045M1，經(jīng)過各自發(fā)射極(源極)電感Lex_Q11和Lex_Q12，以及各自集電極(漏極)電感Lcx_Q11和Lcx_Q12并聯(lián)到一起；同理上橋的Q21和Q22的并聯(lián)結(jié)構(gòu)也是類似連接。
并聯(lián)驅(qū)動(dòng)回路：基于TO247-4pin的開爾文結(jié)構(gòu)，功率發(fā)射極與信號(hào)發(fā)射級(jí)可彼此解耦，再加上1EDI40I12AF這顆驅(qū)動(dòng)芯片已配備OUTP與OUTN管腳，所以每個(gè)單管的驅(qū)動(dòng)部分都有各自的Rgon、Rgoff和Rgee(發(fā)射極電阻)，進(jìn)行兩并聯(lián)后與驅(qū)動(dòng)IC的副邊相應(yīng)管腳連接。
驅(qū)動(dòng)部分設(shè)置：通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)IC副邊電源和穩(wěn)壓電路，調(diào)整門級(jí)電壓Vgs=+15V/-3V，然后設(shè)置門極電阻Rgon=15Ω，Rgoff=5Ω，Rgee先近似設(shè)為0Ω(1pΩ)，外加單管門極與驅(qū)動(dòng)IC之間的PCB走線電感。
圖1.基于TO247-4Pin的SiC雙管并聯(lián)的雙脈沖電路示意圖
3、并聯(lián)動(dòng)態(tài)均流仿真
SiC MOSFET并聯(lián)的動(dòng)態(tài)均流與IGBT類似，只是SiC MOSFET開關(guān)速度更快，對(duì)一些并聯(lián)參數(shù)會(huì)更為敏感。如圖2所示，我們先分析下橋Q11和Q12在雙脈沖開關(guān)過程中的動(dòng)態(tài)均流特性及其影響因素：
圖2.下橋SiC雙管并聯(lián)的雙脈沖電路示意圖
3.1 器件外部功率源極電感Lex對(duì)并聯(lián)開關(guān)特性的影響
設(shè)置Lex_Q11=5nH,Lex_Q12=10nH，其他參數(shù)及仿真結(jié)果如下：
圖3.不同Lex電感的并聯(lián)均流仿真結(jié)果
3.2 器件外部功率漏極電感Lcx對(duì)并聯(lián)開關(guān)特性的影響
設(shè)置Lcx_Q11=5nH,Lcx_Q12=10nH，其他參數(shù)及仿真結(jié)果如下：
圖4.不同Lcx電感的并聯(lián)均流仿真結(jié)果
3.3 器件外部門級(jí)電感Lgx對(duì)并聯(lián)開關(guān)特性的影響
設(shè)置門級(jí)電感Lgx_Q11=20nH,Lgx_Q12=40nH，其中Rgon和Rgoff的門級(jí)電感都是Lgx，其他參數(shù)及仿真結(jié)果如下：
圖5.不同Lgx電感的并聯(lián)均流仿真結(jié)果
3.4器件外部源極環(huán)流電感Lgxe和環(huán)流電阻Rgee對(duì)并聯(lián)開關(guān)特性的影響
在Lex電感不對(duì)稱(不均流)的情況下，設(shè)置不同的源極抑制電感和電阻Lgxe=20nH,Rgee=1Ω和3Ω，看看對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)流的抑制與均流效果，其仿真結(jié)果如下：
圖6.加源極抑制電感和電阻之前(虛線)和加之后(實(shí)線)的均流特性變化
圖7.不同源極抑制電感和電阻(1Ω虛線)和(3Ω實(shí)線)的均流特性變化
4、總結(jié)
基于以上TO247-4pin的SiC MOSFET兩并聯(lián)的仿真條件與結(jié)果，我們可以得到如下一些初步的結(jié)論：
1、并聯(lián)單管的源極電感Lex差異，SiC MOSFET的開通與關(guān)斷的均流對(duì)此非常敏感。因?yàn)?，源極電感的差異也會(huì)耦合影響到驅(qū)動(dòng)回路，以進(jìn)一步影響均流。如下圖8所示，以關(guān)斷為例，由于源極電感Lex不同，造成源極環(huán)流和源極的電位差(VQ11_EE-VQ12_EE)，推高了Q11源極電壓VQ11_EE，間接降低了Q11門級(jí)與源極之間的電壓Vgs_Q11。
圖8.不同源極電感時(shí)，關(guān)斷時(shí)的源極環(huán)流與源極電位差
2、并聯(lián)單管的漏極電感Lcx差異，對(duì)均流影響的影響程度要明顯低與源極電感。因?yàn)槁O電感不會(huì)直接影響由輔助源極和功率源極構(gòu)成的源極環(huán)流回路。
3、門極電感差異對(duì)動(dòng)態(tài)均流的影響不明顯，而且驅(qū)動(dòng)電壓Vgs波形幾乎沒有變化。如果把主回路的總雜散電感減小，同時(shí)把門級(jí)電阻變小，讓SiC工作在更快的di/dt和dv/dt環(huán)境，此時(shí)門級(jí)電感對(duì)均流的影響可能會(huì)稍微明顯一點(diǎn)。
4、輔助源極電阻Rgee，對(duì)抑制源極環(huán)流和改善動(dòng)態(tài)均流的效果也不甚明顯。
在這里提出另一個(gè)問題：既然Rgee對(duì)抑制源極環(huán)流效果一般，那如果給門極增加一點(diǎn)Cge電容呢？請(qǐng)看以下仿真：
圖9 增加1nF門級(jí)Cge電容對(duì)源極不均流特性的影響(虛線為無Cge，實(shí)線為有Cge)
由上述仿真可以看出，Cge電容對(duì)于關(guān)斷幾乎沒有影響，而Cge之于開通只是以更慢的開通速度，增加了Eon，同時(shí)減輕了開通電流振蕩，但是對(duì)于開通的均流差異和損耗差異，影響也不大。
張浩 英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體
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