碳化硅MOSFET并聯技術研究

劉 琳，成俊康，王志業

（西安航天動力測控技術研究所，陜西 西安 710025）

0 引 言

硬件并聯是提高功率變換器過流能力的有效辦法，而并聯的最大挑戰在于并聯器件之間的均流。設計一款由4 個6 mΩ/1 200 V 碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）半橋模塊并聯的電路，通過柵極驅動器設計和精細化布局，使輔助電源電流回路最小，降低柵極振蕩的風險，最小化影響動態均流開、關柵極信號中的斜坡時間。此外，采用對稱布局來均衡電流，同時保持非常低的功率回路電感[1-4]。

1 碳化硅MOSFET 并聯

為了實現大電流功率驅動，可以采用高額定電流功率模塊，也可以采用小封裝并聯的方式。傳統的高額定電流功率器件大多采用模塊封裝形式，而模塊封裝的MOSFET 大多采用螺釘端子的引線方式，僅螺釘端子就會產生10 nH 的功率回路雜散電感[5]。基于印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的小封裝可以實現非常低的雜散電感，通過PCB 多層結構可以實現更小的功率回路面積。合理的PCB 布局可以實現柵極電感最小化，同時保證均流效果，達到更快的開關速度。

1.1 門驅動器的布局和原理圖設計

6 mΩ 模塊有2 個柵源、漏極以及電源引腳，如圖1 所示。這種雙引腳的封裝可以有效降低電感，改善模塊內部MOSFET 晶胞之間的均流[6]。

圖1 模塊引腳封裝

將成對的柵源引腳對稱布局，通過安裝在電源PCB 頂部的柵極驅動PCB 來實現模塊雙引腳的對稱性[7]。門驅動器設計的關鍵是保證4 個模塊開通和關斷的同步性，采用樹狀結構，通過等長的低電感走線保證了控制信號的同步性。對于每個模塊的柵極驅動而言，其布局也是對稱的[8]。測量結果顯示，開關過程中2 個門驅動之間的時序偏差小于5 ns。

驅動電路中重要的是減少輔助電源非必要的電流路徑，2 個功率模塊的源極直接相連，電流除了從柵極流向源極外，還有一部分會在2 個源極之間流動。源極之間流動的電流會引起柵極振蕩，甚至導致模塊燒壞。

在并聯的每個模塊柵極驅動電路上增加一個扼流圈，解決柵極間的電流流動問題，減小柵極震蕩。扼流圈對柵極輸入源極輸出的電流表現出低阻抗，對在2 個源極之間流動的電流表現出高阻抗[9]。扼流電路如圖2 所示。

圖2 扼流電路

1.2 電源布局設計

電源采用對稱布局形式，關于PCB 的中心線左右對稱[10]。PCB 上的過孔布置在走線的兩側，可以通過過孔穿入羅氏線圈，利用羅氏線圈進行精確快速的電流測量。經過測量，模塊兩邊的電流均流較好。

1.3 并聯測試方法

雙脈沖測試原理如圖3 所示。

圖3 雙脈沖測試原理

為了能與最終的應用場合保持一致，讓負載上的電流可以實現雙向流動，采用H 橋拓撲結構。測試裝置還需要一個同步的互補脈沖，同時具備死區調節能力，用于控制半橋的上下管開通和關斷。

2 模塊靜態和動態均流特性

雙脈沖試驗分為2 種：一種是采用同步整流形式，即上下管的開通和關斷互補，下管先開通，經過死區后上管開通；另一種是采用非互補形式，下管在脈沖期間開通，上管常關，負載中的電流通過上管體二極管續流。對導通內阻差異小于5%的模塊進行測試，通過實際測量，4個模塊的均流差異為±3%。此外，使用導通電阻差異大于10%的模塊進行并聯，測得的均流差異僅有4%。采用同步整流電流的波形和未采用同步整流電流的波形如圖4 所示。

圖4 電流波形差異

當不采用同步整流時，反向電流通過續流二極管流過功率器件，4 個模塊之間的電流均流有很大的差異。因此，在并聯時采用同步整流有利于MOSFET的均流。

雙脈沖測試關斷電流波形和開通電流波形如圖5和圖6 所示。

圖5 雙脈沖測試關斷電流波形

圖6 雙脈沖測試開通電流波形

從圖5 和圖6 可以看出，均流效果很好，沒有出現電流振蕩。在不同的溫度、母線電壓和柵極電阻值下，測試都顯示出相似的性能。

體二極管反向恢復的動態波形如圖7 所示。

圖7 雙脈沖測試反向恢復電流波形

從體二極管的反向恢復電流波形可以看出，各模塊電流差異很小，均流效果很好。

3 結 論

與絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的飽和電壓特性相比，碳化硅MOSFET 的導通電阻具有更高的正溫度系數。電流較大的MOSFET 溫度升高快，導通電阻大，導通電阻會作為負反饋作用于靜態均流。此外，碳化硅MOSFET具有更平滑的跨導曲線，即柵極閾值區域內柵極電壓的微小變化對漏極電流的影響比等效IGBT 小，這對動態均流非常有利。采用同步整流時，電流的方向、母線電壓、溫度、柵極電組以及導通電阻對模塊的均流影響不大。