IGBT或碳化硅MOSFET并联设计准则.pdf

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1、碳化硅功率MOSFET并联设计规则Andy WU议程1背景介绍2关键影响因素34并联设计考虑逆变器并联设计第1部分 背景介绍为什么我们需要并联设计？SiC MOSFET是第一个面临以下并联应用挑战的器件：高压高开关频率高dv/dt和高di/dt并联解决方案的类型：1.功率分立器件并联-更灵活，成本更低2.功率模块中的多个晶片并联-更小的寄生参数和更好的布局并联功率晶体管器件可提高电流和功率能力非理想并联的后果：电流和功率损耗不平衡导致的热风险di/dt和dv/dt不平衡以及布局寄生参数差异引起的电应力风险和栅极振荡为什么我们要考虑并联设计规则？栅极驱动不匹配器件参数不匹配电路布局不匹配本征Si

2、C MOSFET参数：Vgs(th)、Rdson、反向恢复、Rthjc、寄生参数（Rg、Ciss、Crss、Coss、Lg、Ls、Ld）等。第2部分 主要影响因素第2.1部分 器件参数不匹配Rdson不匹配不平衡的导通电流假设 假设MOSFET类似于理想开关 RDSon1 RDSon2内部参数RdsonLDRon1Ron2Ron2Ron1Rdson不匹配由于Rds(on)较低，导通损耗较大VGS(th)不匹配内部参数Vth开通/关断案例研究假设LDC1Ron1C2Ron2-电感电流-MOSFET电容电流-反向升压二极管电流 假设MOSFET类似于理想开关 Vth1 Vth2Vth1Vth2VG

3、S(th)不匹配内部参数Vth假设 假设MOSFET类似于理想开关 Vth1 Lg2Lg1电路布局不匹配注意事项源极路径不匹配：匹配Ls源极电感能有效平衡动态电流损耗Ls1 Ls2Ls1;Ls2漏极杂散电感Ld对电流不平衡无直接影响，但是会影响功率损耗电路布局不匹配在这种情况下，源极路径上20 nH的差异显示出较慢的关断，从而导致较高的开关损耗。源路径不匹配源极路径上的Ls 20 nHS1 S2 匹配Ls源极电感有助于平衡动态电流产生的损耗，而使用开尔文源极有助于减少动态电流产生的损耗第3部分 并联设计考虑VthRDSon 布局(Lg,Ls)温度如何优化并联设计基于芯片级并联的RDSon和Vt

4、h参数分组基于分立器件并联最差工况的风险评估（电应力、栅极振荡和热问题）避免电路板布局中的寄生参数不匹配和电流不平衡选择理想的散热系统，以确保热平衡和充分的热裕量并联设计考虑温度不平衡可能与两个根本原因有关：热阻(Rth)不平衡 损耗不平衡电流不平衡法3D thermal map top view-(C)Baseplate Surface thermal map -(C)4开关SiC 如何平衡热阻：Rthjc（从结到壳）：由于器件热阻差异较小，可以忽略不计 Rthcf（从壳到流体）：良好的布局和系统散热方式并联设计考虑静态：与RDS(on)参数范围有关。温度升高可以降低电流及损耗不平衡。（RD

5、S(on)随温度升高而增加）损耗不平衡动态：与VGS(th)参数范围有关。温度升高会加剧电流及损耗不平衡。（VGS(th)随温度降低而降低）电流不平衡第4部分 逆变器并联设计RDSon和Vth范围对器件并联的影响由于生产制程差异，器件参数具有适当的容差，这意味着任何器件都是由（RDSon，Vth）组合定义的，开关性能并不完全相等，特别是这些差异会导致损耗不平衡。RDSonVth二个器件并联的逆变器仿真案例研究主要参数的差异导致电流不平衡，从而导致热不平衡。在仿真中，定义了一个期望的参数范围，以满足热差异10C如何缓解温度和电流不平衡？选择具有相似参数的器件以减小热差异在瞬态和稳态典型和平衡情况

6、下：TJ-peak165CTvj_peak165C+10C=175C(AMR)二个器件并联的逆变器仿真案例研究RDSon和Vth分组STPAK内部所有开关平衡的理想情况Ron不平衡Vth不平衡2个STPAK并联开关的逆变器案例STPAK 3相逆变器仿真：VBUS=400 V ILoad=345 Arms fsw=8 kHz fsine=250 Hz Rgon=3.3,Rgoff=5.6-调制系数=0.95-功率因数=0.85 壳温(T_case)：65C一个桥臂STPAK高边低边STPAKSTPAKSTPAK3种情