碳化硅MOSFET并联不均衡电流分析及调控方法

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近年来,硅基功率半导体器件受材料特性的限制难以满足电力电子装备的更高需求。以碳化硅为代表的宽禁带功率半导体器件凭借其优异的性能,逐步应用于高频、高温和大功率电力电子领域。由于商业化量产碳化硅MOSFET芯片电流等级较低,采用多个分立器件并联或多芯片并联功率模块是解决更大功率应用需求的重要手段。为了抑制碳化硅MOSFET并联不均衡电流,提升并联系统的可靠性,本文围绕碳化硅MOSFET并联电流分配不均衡问题,系统地开展了碳化硅MOSFET并联不均衡电流分析及其调控方法的研究。首先,研究了芯片参数对碳化硅MOSFET并联均流的影响及调控方法。统计分析了 60个同批次同型号的第Ⅲ代碳化硅MOSFET芯片参数分散性,提取了影响碳化硅MOSFET并联动静态电流分配的关键芯片参数;提出了基于转移特性曲线三次多项式拟合阈值电压和跨导系数抑制动态不均衡电流,基于最大导通电阻和最小导通电阻抑制静态不均衡电流的芯片筛选方法。其次,研究了封装参数对碳化硅MOSFET并联均流的影响。建立了并联芯片的漏极汇流点和功率源极汇流点分别位于一侧和两侧两种电路布局,考虑寄生参数、公共支路阻抗耦合和互感的等效电路模型,揭示了这三个参数对碳化硅MOSFET并联动静态不均衡电流的影响机制;分析了漏极汇流点和功率源极汇流点分别位于一侧和两侧时功率模块动静态均流特性的优劣。再次,提出了碳化硅MOSFET分立器件并联支路阻抗定量补偿方法。建立了任意n个分立器件并联考虑关键寄生参数的等效电路模型,提出了并联器件漏极侧和功率源极侧支路阻抗定量补偿抑制动静态不均衡电流的调控方法。最后,研究了碳化硅MOSFET多芯片并联功率模块动态均流的调控方法。提出了利用公共支路电感矩阵无穷范数表征不同布局下多芯片并联不均衡电流的评价方法,分析了信号端子不对称对碳化硅MOSFET并联均流的影响,发现了并联芯片的动态不均衡电流主要是由于功率源极信号端子不对称导致的;提出了一种公共支路电感矩阵无穷范数为零、功率源极信号端子对称的椭圆形布局。
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