碳化硅MOSFET并联电流分配不均衡影响因素与抑制方法综述

碳化硅MOSFET凭借其高压、高温和高频等优异性能逐渐在工业中得到应用,然而碳化硅MOSFET并联电流分配不均衡问题限制了其性能发挥,并增加失效风险。为了充分发挥碳化硅MOSFET的性能优势,本文首先从芯片参数、功率回路参数和驱动回路参数3个方面阐述并联电流分配不均衡影响因素,然后综述了近年来国内外抑制并联不均衡电流的研究成果,对电流不均衡抑制方法从电流均衡种类、扩展难度、集成难度和经济成本四个维度进行了综合比较分析。最后,根据现有研究不足与面临挑战,本文对碳化硅MOSFET并联电流分配不均衡抑制方法进行展望。

基于动态栅极电阻的SiC MOSFET主动并联均流方法

随着当今时代电力电子技术的发展,SiC MOSFET在高频、高温、高压以及大电流等场合中得到广泛应用,然而,由多管并联所导致的不均流问题成为了当下SiC MOSFET模块广泛应用中的一大阻碍。针对这一问题,文中提出一种基于动态栅电阻的SiC MOSFET模块并联均流方法,其主要原理是通过利用SiC MOSFET开关瞬间漏极电流在源极寄生电感上感应出的电压来检测电流,并通过动态调节栅极驱动电阻来实现并联模块的电流同步。最后,通过利用多脉冲实验对文中所提出的均流策略的可行性及优势进行了实验验证。结果表明,动态栅极电压主动并联均流策略可以有效改善并联模块间电流均流问题。

功率MOSFET并联驱动特性分析

并联MOSFET非常适合于在低电压、大电流下工作。基于IRFS4227PBF功率MOSFET,分析和测试了在一定散热环境下MOSFET结温的收敛特性与漏极电流的关系,说明了MOSFET的实际电流容量受散热条件制约,并以此确定在额定电流下需要并联的个数。用PSPICE电路仿真论述了外围电路Q值和功率管参数等因素对并联驱动的动态均流特性的影响。在此基础上搭建实验平台,成功实现了8个MOSFET并联在高频状态下的稳定工作。

MOSFET管并联应用时电流分配不均问题探究

并联应用时MOSFET管会产生电流分配不匀的现象,为减小此问题造成的不良影响,只能通过实验确定有关的电路参数。这里用数学方法详细分析MOSFET管的特性参数和电路参数对静态和动态漏极电流分配不匀的影响,推导出反映漏极电流分配不匀程度和对漏极电流上升速度影响程度的精确计算公式,为在实际工作中减小电流分配不匀的影响提供理论依据。

基于并联SiC MOSFET架构的无刷直流电机高效驱动技术研究

为满足机、弹载伺服驱动系统高功率密度与高效率的需求,提出基于并联SiC MOSFET架构的无刷直流电机高效驱动技术。针对四管分立SiC MOSFET并联不均流现象,在分析不均流机理的基础上,采用基于独立驱动的方法提高并联均流效果;并针对SiC MOSFET高速开关过程产生的较高dv/dt问题,提出一种基于PWM信号的同步采集方法,有效地提升了驱动系统鲁棒性。最后,以航空25 kW无刷直流电机驱动系统作为应用对象,通过实验验证了以上方法的有效性。

功率MOSFET并联均流仿真分析

研究多个功率MOSFET并联均流问题。由于市场上的MOSFET功率普遍较小,当电路要求大电流时可将多个MOSFET并联,但一些因素会造成并联管电流分配不均从而导致管子损坏。从器件参数、栅极驱动参数、电路布线三方面分析了各参数对并联功率MOSFET电流分配以及功率损耗的影响,对各参数使用Pspice软件进行了仿真并提出了相应的均流措施,通过仿真结果进行对比,结果验证了均流措施的有效性。仿真方法和结论对实际应用有一定的参考价值。

BSG系统MOSFET并联均流研究

针对BSG(Belt Driven Starter Generator)系统中MOSFET的并联均流问题展开研究。分析了影响MOSFET并联均流的因素,并通过Pspice软件对各参数进行了仿真分析。根据仿真结果搭建了试验电路,实验结果验证了仿真分析的正确性。最后给出了并联均流的措施,并应用到1.5kW、12VDC的BSG系统中。

MOSFET器件并联实验研究

采用图腾柱的驱动方式,设计了应用于IXYS公司的功率MOSFET器件DE375-102N12的驱动电路。单个开关在多脉冲下具有良好的脉冲一致性。以该功率MOSFET器件进行的6个并联实验说明,影响并联的MOSFET的动态均流的主要参数是放电回路中的回路电感和寄生电感,电路板的布局与布线对并联的功率MOSFET有很大的影响,良好的布局可以大大提高电路的性能。

高频MOSFET并联运行及驱动特性研究

提出一种高频MOSFET驱动电路,分析研究了高频MOSFET双管并联动态开关模式下出现的不均流问题。小功率电路实验结果表明,采取两个并联MOSFET对称分布,且通过调节栅极输入电阻使两个MOSFET特性参数匹配等措施,可获得较好的均流效果,在1MHz工作频率下可实现两管同时开关。

多MOSFET并联均流的高稳定度恒流源研究

提出了一种基于多MOSFET并联均流的高稳定度大电流恒流源研究方案,输出电流最高可达30 A且连续可调,输出30 A时,30分钟内电流稳定度优于5 ppm。文中详细分析了恒流源基本稳流电路的工作原理,并对电路中关键元器件的选型进行了分析说明。通过高精度基准电压芯片和基于大功率精密电阻采样的电流串联负反馈方法提高系统的稳流精度,通过多只功率MOSFET并联均流工作作为调整管,实现了输出大电流的高稳定度,同时对影响功率MOSFET并联工作的因素进行了系统分析。提出的恒流源方案,对高稳定度直流电源的设计具有一定的参考价值。

寄生电感不匹配对SiC MOSFET并联电流分配的影响

电路寄生参数的不一致将会导致并联SiC MOSFET器件的电流不平衡。搭建了并联SiC MOSFET测试平台来评估电路寄生电感不匹配对SiC MOSFET并联电流分配的影响。基于控制变量法的原理,在其中一条支路串入电感的同时在另一条支路串入低感电阻,由此消除了电感引入的寄生电阻对实验结果的影响。然后分别对漏极电感Ld、源极电感Ls和栅极电感Lg不匹配与并联电流分配的关系进行实验研究,实验结果表明：Ld不匹配对并联器件的瞬态电流上升过程没有影响,但会在两个器件间造成环流,且在环流衰减的过渡阶段和稳态阶段Ld对电流分配具有不同的影响规律,Ls不匹配使得电感较小的器件瞬态电流过冲增大,而Lg对器件并联电流没有影响。

一种SiC MOSFET并联的稳态电-热分布预测模型

SiC MOSFET分立器件的并联已在中大功率的电力电子设备中广泛使用,为充分利用并联使用的优势,避免不当并联可能产生的电-热失衡现象,需提前预测开关管并联工作时的稳态电-热分布情况。而由于半导体器件在生产过程中的差异性不可避免,即使是同一厂商生产的同一型号SiC MOSFET,在关键参数如阈值电压U_(TH)和导通电阻R_(DS(ON))上都有所差异,而这些参数正是影响器件并联动静态电流分布和电-热分布的关键参数。本文研究了影响器件并联动静态电流分布和电-热分布的因素以及关键参数的温度分布特性,并在此基础上提出了一种电-热分布特性的预测模型,最后搭建了实验平台验证了预测模型的准确性。

SiC MOSFET并联动态电流不均衡的无源补偿策略

SiC MOSFET分立器件的并联结构已在中大功率应用中广泛使用,为了充分利用并联的优势,需解决并联动态电流不均衡问题。在SiC MOSFET特性参数中,阈值电压是影响并联动态均流特性最主要的参数。通过建立SiC MOSFET双管并联的电路模型,探究了并联动态电流不均衡的补偿策略,推导了阈值电压对SiC MOSFET开关管动态均流程度影响的公式。建立了含寄生电感的双管并联电路模型,提出了两种双管并联动态电流不均衡的无源补偿策略,即基于共源极寄生电感的补偿策略以及基于开尔文源极电感和功率源极寄生电感并联的补偿策略。通过仿真比较了两种无源补偿策略下的开关总损耗。最后,优化了基于开尔文源极电感和功率源极寄生电感并联的补偿策略,并通过双脉冲实验验证了此并联补偿策略下的动态均流效果。

寄生参数对并联SiC MOSFET电流不均衡的影响

SiC MOSFET并联使用是提高系统功率密度的有效手段。在高频高压环境中并联使用的SiC MOSFET,由于寄生电感,寄生电容等因素的差异,导致并联电流难以实现均衡。为分析导致电流不均衡现象的影响因素,本文采用CREE公司官网所提供的spice模型搭建了相关仿真测试电路。基于数据手册中所提供的器件参数,分别对寄生电容和寄生电感等参数进行差异化设置,利用PSpice软件进行仿真。分析了在负载电压为600 V时,不同寄生参数对动态和静态电流不均衡的影响程度。最后设计了一种基于阻抗平衡联合磁芯电感的方法对并联SiC MOSFET动静态电流不均衡进行抑制,有效抑制了并联SiC MOSFET电流不均衡现象的发生。

功率MOSFET并联应用

从线路布线和参数配置等方面分析了导致MOSFET并联时电压和电流不均衡的原因,并联MOSFET易产生振荡的原因作了详细的分析,并辅以仿真说明振荡产生的原因。

并联SiC-MOSFET可调节驱动电路设计

目前,在电动汽车、航空航天、煤矿、海洋油田等高电压等级、高频、高温、高功率密度环境中,碳化硅器件容易出现过流过压等短时过载情况而目前市场应用的多数驱动电路无法适应各种型号的SiC-MOSFET,本文设计了一种以IX4351为驱动芯片,可适应大多数厂家碳化硅器件参数的驱动电路。该驱动电路可实现负压调节自适应各类型号的SiC-MOSFET并且能够提供足够的峰值电流,实现驱动碳化硅并联电路,分析了碳化硅驱动电路的特点,计算了驱动功率,给出以IX4351为驱动核的驱动电路原理图。仿真和实验结果证明,本文中设计的SiC-MOSFET驱动电路可驱动并联SiC-MOSFET,能够驱动不同厂家提供的不同参数的碳化硅器件。

基于开关能量均衡的并联碳化硅MOSFET芯片筛选

由于碳化硅MOSFET芯片生产制造工艺尚不够成熟,导致芯片参数分散性很大,使其在并联应用时的开关能量产生很大的差异。特别是在高频应用中,开关能量的不均衡将造成芯片发热分布不均衡,并严重影响碳化硅MOSFET模块的可靠性。该文测试获得30个单芯片碳化硅MOSFET器件参数的分散性,建立单芯片碳化硅MOSFET器件并联动态特性测试实验平台和单芯片碳化硅MOSFET器件并联的等效电路计算模型。分别通过改变并联器件的转移特性曲线、导通电阻、栅极内阻和极间电容的差异数值,获取并联器件开关能量和开通瞬态峰值电流的不均衡度。在此基础上,提出基于开关能量均衡的并联碳化硅MOSFET芯片的筛选策略,并通过实验对计算模型芯片筛选策略进行验证。计算结果和实验结果均表明,以瞬态电流均衡为目标的并联碳化硅MOSFET芯片筛选策略,并不能够可靠地保证并联芯片开关能量的均衡,在该文所提筛选策略基础上,可以利用芯片参数对开关能量的补偿效应,实现并联碳化硅MOSFET芯片开关能量的均衡。

MOSFET和IGBT关断特性及其对并联特性的影响

文章描述了MOSFET和IGBT关断特性的不同,及其对关断瞬间并联均流特性的影响。MOSFET和IGBT共有的MOS门极结构导致其在器件开通过程具备相似的开通特性。然而,MOSFET单极性结构和IGBT双极性结构的不同导致了其在关断过程中具备不同的关断原理(除了拖尾电流之外),这种不同的关断原理尤其表现在门极电压对关断电流的控制程度。MOSFET的关断电流完全直接受控于门极电压,而IGBT的关断电流在某种程度上不完全直接受控于门极电压。不同的关断原理进而导致了关断瞬间不同的并联均流特性,尤其是在电路参数不匹配的情况下的并联关断均流特性。文章通过理论分析和仿真建模对上述问题进行了研究,仿真和试验结果验证了所提的观点。

寄生电感对于功率MOSFET开关特性的影响

分散在MOSFET栅极、源极、漏极的寄生电感由于封装以及印制电路板(PCB)走线,改变了MOSFET的开关特性。通过仿真分析对比,指出MOSFET寄生电感存在如下特性:源极电感对栅极驱动形成负反馈,导致开关速度变慢,采用开尔文连接,可以将栅极回路与功率回路解耦,提高驱动速度;在米勒效应发生时刻需要合理地降低栅极电感来降低栅极驱动电流;漏极电感通过米勒电容影响MOSFET的开通速度,在关断时刻导致电压应力增加;在并联的回路当中,非对称的布局将导致MOSFET之间的动态不均流;当MOSFET在开关过程中,环路电感与MOSFET自身的结电容产生振荡时,可以在电路增加吸收电容减小环路电感,改变振荡特性。

基于MOSFET并联技术的电力通信电源研制

为满足高功率密度、高效率电源的要求,分析了MOSFET并联的静态均流与动态均流理论,采用移相全桥零电压开关(ZVS)技术,设计了基于MOSFET并联技术的电力通信电源。试验及实践表明,设计运行可靠、市场竞争力强。