碳化硅MOSFET并联均流技术研究

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电力电子技术的发展离不开半导体功率器件的发展。经过几十年的发展和研究,硅基器件逐渐接近其物理极限。宽禁带半导体器件相对硅器件具有更高的饱和速度、热导率、击穿场强,有望成为下一代功率器件并得到广泛应用。碳化硅(Silicon Carbide,Si C)金属-氧化物场效应晶体管(Metal-oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)在中高压领域下被认为是硅基金属-氧化物场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的有效替代品。针对大功率应用场景,需要多芯片并联或者多个器件的并联。器件并联应用中的关键问题是不均流问题,包括稳态过程中的静态不均流问题和开关暂态下的动态不均流问题。动态均流问题影响因素复杂,同时由于开关暂态时间很短,电流控制难度大,因此一直是本领域的难题。已有的动态均流技术包括无源方案和有源方案,但无法同时具有低成本、低损耗、高集成度、可拓展性等优点。因此本文在现有研究的基础上,利用有源门极驱动技术,对器件并联动态均流进行研究。本文首先对影响Si C MOSFET并联均流的主要因素进行机理分析,并辅以仿真说明,主要包括器件参数、功率回路、驱动回路三个部分。器件参数中跨导系数对动态电流变化斜率与关断时刻点产生影响,但不会影响开通时刻点。而阈值电压则同时影响器件的开关时刻点和电流变化斜率。同时器件参数的温度特性对不均流有恶化作用;功率回路中由于源极电感会通过驱动回路来影响功率电流,因此它的不对称性相较于漏极电感而言会对不均流有更大影响;驱动回路中各并联器件的驱动电阻和栅源电容一般能在电路设计中保持一致性,而驱动信号的延时取决于驱动方式,对开环驱动而言,非直接栅极驱动具有最小的延时差异性和驱动回路寄生参数。在影响因素的分析基础上,本文提出两种用于改善并联动态均流的模拟型有源门极驱动技术。二者均以源极电感电压差作为不均流的检测参量,在两管并联时,选取其中之一作为参考管,当另一管(跟随管)开通速度较快时,源极电感差分电压经过反馈电路,生成与dΔid/dt成正比的电流信号,从跟随管的门极进行电流抽取,降低其开通速度;反之则往门极进行电流注入,加速其开通速度。最终二者开通过程达到匹配。为了保证源极电感的一致性,本方案采用了分布式电容布局方式。另外,为了实现方案的扩展性,本文采用主从式思想对并联个数进行扩展。两方案的不同在于,基于运放的有源门极驱动均流方案通过引入高速运放对源极电感差分检测信号进行放大,反馈回路较复杂,成本较高,不利于集成,但对电路参数匹配要求低、灵活性高;而基于三极管的有源门极驱动均流方案采用三极管作为不均流比较环节,反馈回路更简单,易于集成,但对源极电感的取值有一定要求。理论分析和双脉冲实验均证明了这两种方案有效性,在加入有源门极驱动环节后,动态不均流得到改善。
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