SiC MOSFET并聯均流技術的研究

高 凡

（西安特銳德智能充電科技有限公司，西安 710077）

1 引言

近年來，隨著SiC MOSFET器件的可靠性不斷提高，加上自身成本的逐漸降低，使得SiC MOSFET在中小功率的應用場合越來越廣泛。由于SiC MOSFET較傳統的硅基器件具有更高開關頻率、適應高溫場合等顯著特點，可以使電力電子設備實現更高的功率密度。但是，由于生產成本、制造工藝等因數的限制，導致單個SiC MOSFET的通流能力有限，其單個容量依然無法滿足大容量電力電子設備，因此只能通過對SiC MOSFET并聯的方式進行擴容，來滿足大功率場合的需求。由于并聯器件在主功率回路中參數的不一致性，不可避免的會出現各個支路電流不均衡的問題。電流的不均衡問題主要分為靜態電流和動態電流的不均衡。這種電流的不均衡將對SiC MOSFET模塊帶來不容忽視的危害，主要體現在并聯模塊損耗差異性、模塊電流和電壓應力的差異性以及開關速度的差異性，這種差異會導致單個器件長時間處于損耗、應力過大而損壞，進而對其他并聯的器件以及整個系統帶來危害。

2 并聯模塊的不均流因素分析

目前，國內對SiC MOSFET并聯不均流的原因展開了廣泛的研究，其主要包括模塊本身參數設計、主功率回路寄生參數、不同應用場合的溫度變化等對并聯模塊電流不均流的影響，表1從模塊并聯不均流的靜態因素及動態因素進行了列舉。

表1 不均流主要因素

3 SiC MOSFET并聯均流設計方法

3.1 均流電路特性分析

在功率回路中，寄生電感可分為3大類：開關環路雜散電感、共源極雜散電感和柵極回路雜散電感。寄生電容主要包括CGS柵源極間寄生電容、CGD漏柵極間寄生電容、CDS漏源極間寄生電容。

在理想情況下，不考慮上述電路寄生參數及各種因素對并聯均流模塊的影響，在兩個并聯的SiC MOSFET主功率回路中串入一個耦合電感，當兩個支路的電流同時流入耦合電感時，電感線圈會產生大小相等，方向相反的磁通量，從而電感總的磁通量為零，對電流不起作用。在實際應用的環境中，由于功率回路中各種寄生參數以及器件分散性、溫度等的影響，兩個支路的電流會有所偏差，則通過電感時會在磁芯中產生磁通，從而會在線圈上產生感應電動勢。根據法拉第電磁感應定律可知，由于電流偏差所產生的感應電動勢會驅使不平衡電流為零，從而能夠實現兩個支路的電流均流。

3.2 均流電路的設計

通過以上分析可知，在SiC MOSFET并聯主功率回路中加入耦合電感可有效的抑制不均流現象，具體電路如圖1所示。

圖1 耦合電感抑制不均流原理圖

在上圖中，耦合電感的兩個線圈匝數相等，兩個支路的電流不平衡時，線圈中激勵電感Lm上產生的電動勢u為

式中，n為線圈匝數；?id流過兩個線圈電流差值；?Ф=?BS。

若耦合電感的磁芯內徑為Dmin，外徑為Dmax，高度為h，兩個支路不均流時，則在兩個線圈所產生磁場強度為H1、H2，可得出：

式中，?B為磁感應強度；μr為相對磁導率；μ0為空氣磁導率；S為線圈的截面積，由式（2）可得：

由式（1）和（4）可得出：

由式（5）可得出：

通過上式可以看出，磁芯的材質、線圈匝數、磁芯的大小都對支路電流的均衡度有影響。

4 結束語

總之，由于SiC材料的特性，相比于傳統的硅襯底MOSFET及IGBT，SiC MOSFET在高頻、高溫的應用場景日益凸顯。而模塊在并聯的過程中產生的不均流問題，可以通過耦合電感來解決。但是，影響并聯模塊不均流的因素還有很多，諸如器件自身參數分散性、外界溫度、主功率回路等都將對并聯模塊造成不均流現象，所以對于SiC MOSFET均流方法的進一步研究非常有必要。