級(jí)聯(lián)MOSFET均壓測(cè)試方法研究

付明,王子才,張華,張東來

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院, 哈爾濱 150001; 2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院,廣東 深圳 518057; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,廣東 深圳 518055)

0 引 言

級(jí)聯(lián)MOSFET經(jīng)常應(yīng)用在高壓半導(dǎo)體開關(guān)中,采用均壓措施的級(jí)聯(lián)MOSFET能實(shí)現(xiàn)高壓、大電流的開關(guān)切換[1-5]。均壓驅(qū)動(dòng)控制方法是級(jí)聯(lián)MOSFET研究領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),開關(guān)動(dòng)態(tài)均壓測(cè)試是評(píng)判級(jí)聯(lián)MOSFET均壓效果最直接的措施[6],因此均壓測(cè)試方法的精度及可信度對(duì)均壓驅(qū)動(dòng)控制方法研究以及高壓開關(guān)產(chǎn)品檢驗(yàn)具有決定性的意義[7-10]。

采用隔離度高、靜態(tài)電流小、寄生電容小的高壓探頭可顯著提升均壓測(cè)試效果,但該測(cè)試方法過于昂貴,且不當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法同樣也會(huì)引入干擾和誤差[11]。文章通過對(duì)比常規(guī)均壓測(cè)試方法帶來的問題,給出了一種新的級(jí)聯(lián)MOSFET均壓測(cè)試方法,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該測(cè)試方法中高壓探頭寄生參數(shù)對(duì)級(jí)聯(lián)MOSFET均壓效果的影響。

1 級(jí)聯(lián)MOSFET型高壓開關(guān)

圖1(a)所示為一種級(jí)聯(lián)MOSFET配置方式,其采用3個(gè)MOSFET并聯(lián)構(gòu)成1組用來擴(kuò)展電流能力,3組串聯(lián)用來擴(kuò)展耐壓能力。均壓隔離驅(qū)動(dòng)電路通過對(duì)串并聯(lián)MOSFET的門極進(jìn)行控制,確保所有的MOSFET同時(shí)開通和關(guān)斷,從而達(dá)到并聯(lián)均流和串聯(lián)均壓的目的。

SiC基MOSFET具備高壓大電流的特點(diǎn),對(duì)該型MOSFET的串并聯(lián)研究非常廣泛[12-13]。圖1(b)為已驗(yàn)證均壓效果良好的級(jí)聯(lián)MOSFET型高壓開關(guān),其采用厚膜工藝將圖1(a)所示的3串3并MOSFET裸芯片(選用CREE公司的SiC基MOSFET裸芯片,型號(hào)為CPM2-1200-0025B)集成在了一個(gè)厚膜陶瓷板上,該封裝有利于串聯(lián)均壓和并聯(lián)均流,并能顯著減小高壓開關(guān)體積。該高壓開關(guān)器件最大開關(guān)電壓3 600 V,通流能力50 A。下文將以該級(jí)聯(lián)MOSFET組成的高壓開關(guān)驗(yàn)證所提出的均壓測(cè)試方法。

圖1 級(jí)聯(lián)MOSFET高壓開關(guān)

2 傳統(tǒng)均壓測(cè)試方法

將圖1(b)所示級(jí)聯(lián)MOSFET的高壓開關(guān)放置在高邊,對(duì)每一組串聯(lián)MOSFET的DS電壓進(jìn)行測(cè)試,通過判斷DS電壓波形的畸變來評(píng)估均壓測(cè)試方法對(duì)均壓效果的影響。

2.1 直接均壓測(cè)試方法

常規(guī)均壓測(cè)試方法是采用高壓隔離探頭直接測(cè)試每一組MOSFET在開關(guān)瞬間的DS電壓波形,通過判斷瞬態(tài)DS電壓波形的一致性來看均壓效果。圖2為使用3個(gè)高壓隔離探頭直接測(cè)試均壓效果的示意圖。電源電壓VDC=1000 V,負(fù)載為純阻性RL=410 Ω,高壓開關(guān)切換控制信號(hào)為0.5 Hz的方波。

圖2 高壓隔離探頭直接測(cè)試均壓效果的示意圖

圖2中3個(gè)高壓隔離探頭分別對(duì)3排MOSFET的D、S端電壓進(jìn)行測(cè)試,通道CH4測(cè)試Q1(代表第一排MOSFET)的DS電壓波形,CH3、CH2分別測(cè)試第二排Q2、第三排Q3的DS電壓波形。圖3為直接均壓測(cè)試波形,結(jié)果表明均壓一致性很差,因均壓措施經(jīng)校驗(yàn)是符合要求的,所以判斷該直接測(cè)試方法中,隔離探頭的寄生參數(shù)影響了級(jí)聯(lián)MOSFET的均壓效果。

2.2 隔離探頭寄生電容對(duì)測(cè)試誤差的分析

為評(píng)估隔離探頭寄生參數(shù)對(duì)均壓效果的影響,如圖4所示,通過改變Q3的D、S端測(cè)試探頭的數(shù)量,驗(yàn)證探頭寄生參數(shù)對(duì)Q3的VDS測(cè)試影響。

圖3 直接測(cè)試均壓效果的示意圖

圖4 研究隔離探頭數(shù)量對(duì)Q3的均壓效果測(cè)試示意圖

圖5～圖7分別為一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)隔離探頭測(cè)試Q3的VDS波形。測(cè)試結(jié)果表明,相同型號(hào)隔離探頭數(shù)量越多,Q3的VDS在關(guān)斷瞬間峰值電壓越高,與關(guān)斷后的穩(wěn)態(tài)值偏差越大,從而導(dǎo)致均壓效果變差。這說明測(cè)試引入的寄生參數(shù)越大,對(duì)被測(cè)對(duì)象的均壓效果影響越大。

圖5 一個(gè)隔離探頭測(cè)試Q3的VDS波形

圖6 兩個(gè)隔離探頭測(cè)試Q3的VDS波形

圖7 三個(gè)隔離探頭測(cè)試Q3的VDS波形

3 減法均壓測(cè)試方法

基于上一節(jié)測(cè)試結(jié)果表明隔離探頭寄生參數(shù)對(duì)級(jí)聯(lián)MOSFET的均壓效果有明顯的干擾作用,本節(jié)將主要從減小寄生參數(shù)干擾的方面提出一種改進(jìn)型均壓測(cè)試方法,即減法均壓測(cè)試方法。

3.1 提出的減法均壓測(cè)試方法

改變隔離探頭的接法,將所有探頭的地同時(shí)接Q3的S極,探頭的正端分別接Q1、Q2、Q3的D極,再通過示波器減法計(jì)算出Q1和Q2的VDS波形。圖8為提出的減法均壓測(cè)試方法示意圖。

圖8 減法均壓測(cè)試方法示意圖

圖9為減法均壓測(cè)試方法的測(cè)試電壓波形,三個(gè)電壓波形在關(guān)斷時(shí)的穩(wěn)態(tài)電壓值成線性比例。圖10為減法運(yùn)算后的3個(gè)VDS波形,其中運(yùn)算1(CH4-CH3)為圖8中Q1的D端對(duì)地電壓波形減去Q2的D端對(duì)地電壓波形得到Q1的VDS波形,運(yùn)算2(CH3-CH2)為減法得到Q2的VDS波形。從圖10的電壓波形減法結(jié)果可知,均壓測(cè)試一致性要比圖3所示的直接均壓測(cè)試電壓波形精度要高,但均壓測(cè)試偏差仍超過了平均值的26%,提示測(cè)試方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。

3.2 改進(jìn)后的減法均壓測(cè)試方法

為減小探頭寄生參數(shù)對(duì)減法均壓測(cè)試的進(jìn)一步影響,圖11所示為改進(jìn)后的減法測(cè)試方法,將負(fù)載包含在均壓隔離探頭的測(cè)試跨度范圍內(nèi),采用4個(gè)探頭進(jìn)行測(cè)試：CH1接Q3的S極,CH2接Q3的D極,CH3接Q2的D極,CH4接Q1的D極,所有探頭的地直接與測(cè)試電源的地相連。

圖9 減法均壓測(cè)試方法的測(cè)試電壓波形

圖10 減法運(yùn)算后的3個(gè)VDS波形

圖11 改進(jìn)后的減法均壓測(cè)試方法示意圖

設(shè)置VDC電壓為3 000 V,負(fù)載電阻RL為6 kΩ。圖12為3組MOSFET均壓測(cè)試的VDS波形及關(guān)斷瞬間的展開圖。

圖12 均壓測(cè)試的VDS波形及關(guān)斷瞬間展開圖(條件1)

圖13為Q1(CH4-CH3)和Q2(CH3-CH2)關(guān)斷瞬間的VDS波形,圖14為Q1(CH4-CH3)和Q3(CH3-CH2)關(guān)斷瞬間VDS波形,通過這兩個(gè)圖可判斷3組MOSFET在關(guān)斷瞬間的VDS波形基本重合,即表明關(guān)斷瞬間均壓效果良好。

圖13 減法得到關(guān)斷瞬間Q1和Q2的VDS波形(條件1)

圖14 減法得到關(guān)斷瞬間Q1和Q3的VDS波形(條件1)

圖15為3組MOSFET均壓測(cè)試的VDS波形及開通瞬間展開圖。圖16為Q1(CH4-CH3)和Q2(CH3-CH2)開通瞬間的VDS波形,圖17為Q1(CH4-CH3)和Q3(CH3-CH2)開通瞬間的VDS波形,通過這兩個(gè)圖可判斷3組MOSFET在開通瞬間的VDS波形也基本重合。

圖15 均壓測(cè)試的VDS波形及開通瞬間展開圖(條件1)

圖16 減法得到開通瞬間Q1和Q2的VDS波形(條件1)

圖17 減法得到開通瞬間Q1和Q3的VDS波形(條件1)

對(duì)比以上幾組測(cè)試波形,可判斷改進(jìn)后的減法均壓測(cè)試電路,無論是在穩(wěn)態(tài)還是在開通、關(guān)斷瞬態(tài),對(duì)級(jí)聯(lián)MOSFET的均壓特性影響均較小。開通、關(guān)斷瞬間的均壓效果與高壓開關(guān)特性基本一致,證明該減法均壓測(cè)試方法能夠真實(shí)有效評(píng)測(cè)級(jí)聯(lián)MOSFET均壓效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

評(píng)估測(cè)試線纜的寄生參數(shù)對(duì)圖11改進(jìn)后減法均壓測(cè)試方法的影響,圖18在測(cè)試回路中串聯(lián)一個(gè)電感模擬線纜的寄生參數(shù)。通過測(cè)試開關(guān)瞬間的均壓效果來評(píng)估改進(jìn)后減法均壓測(cè)試方法對(duì)線纜寄生參數(shù)的適應(yīng)性。

圖18 評(píng)估測(cè)試電纜對(duì)改進(jìn)后減法測(cè)試方法的影響

設(shè)置VDC電壓為1 500 V,負(fù)載電阻RL為6 kΩ,L按照測(cè)試線纜最大寄生電感量2.3 μH設(shè)置。圖19為3組MOSFET均壓測(cè)試的VDS波形及關(guān)斷瞬間展開波形圖。

圖19 均壓測(cè)試的VDS波形及關(guān)斷瞬間展開圖(條件2)

圖20為Q1(CH4-CH3)和Q2(CH3-CH2)關(guān)斷瞬間的VDS波形,圖21為Q1(CH4-CH3)和Q3(CH3-CH2)關(guān)斷瞬間的VDS波形,通過這兩個(gè)圖可判斷,增加電感后,3組MOSFET在關(guān)斷瞬間的VDS波形相比不考慮測(cè)試電纜的純電阻負(fù)載方式偏差增大,但仍在誤差容許范圍內(nèi)。

圖20 減法得到關(guān)斷瞬間Q1和Q2的VDS波形(條件2)

圖22為3組MOSFET均壓測(cè)試的VDS波形及開通瞬間展開圖。圖23為Q1(CH4-CH3)和Q2(CH3-CH2)開通瞬間的VDS波形,圖24為Q1(CH4-CH3)和Q3(CH3-CH2)開通瞬間的VDS波形,通過這兩個(gè)圖可判斷3組MOSFET在開通瞬間的VDS波形基本重合。

圖21 減法得到關(guān)斷瞬間Q1和Q3的VDS波形(條件2)

圖22 均壓測(cè)試的VDS波形及開通瞬間展開圖(條件2)

通過上面的測(cè)試數(shù)據(jù)可知,改進(jìn)后的減法測(cè)試方式即使在考慮測(cè)試線纜寄生參數(shù)的情況下,依然能夠很好地評(píng)估級(jí)聯(lián)MOSFET的均壓測(cè)試效果。

圖23 減法得到開通瞬間Q1和Q2的VDS波形(條件2)

圖24 減法得到開通瞬間Q1和Q3的VDS波形(條件2)

5 結(jié)束語

提出了一種減法均壓測(cè)試方法,解決了傳統(tǒng)均壓測(cè)試方式中,隔離高壓探頭寄生參數(shù)對(duì)級(jí)聯(lián)MOSFET均壓效果的影響。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該測(cè)試方式能精確評(píng)估級(jí)聯(lián)MOSFET的均壓效果,且不受測(cè)試探頭及測(cè)試線纜寄生參數(shù)的影響。