并行連接的SiC MOSFET可以帶來(lái)更多電力

功率器件(如開(kāi)關(guān)、電阻和MOSFET)的并聯(lián)連接旨在分擔(dān)功率，使設(shè)備能夠承受更大的功率。它們可以并聯(lián)連接，以增加輸出電流的容量。由于不受熱不穩(wěn)定性的影響，并聯(lián)連接通常比其他較老的組件更簡(jiǎn)單且不那么關(guān)鍵，碳化硅MOSFET也可以與其他同類設(shè)備并聯(lián)使用。

在正常情況下，多個(gè)單元的簡(jiǎn)單并聯(lián)連接運(yùn)行良好，但在與溫度、電流和工作頻率相關(guān)的特殊情況下，工作條件可能變得關(guān)鍵。因此，必須遵循某些預(yù)防措施，以創(chuàng)建防故障電路，從而充分利用功率器件并聯(lián)連接所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

01

實(shí)際上，當(dāng)功率器件具有相同的電氣特性和相同的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為時(shí)，可以進(jìn)行并聯(lián)連接。但實(shí)際上，這種情況不可能發(fā)生，因?yàn)椴煌瑯颖局g總存在一些差異。在某些應(yīng)用中，MOSFET在靜態(tài)狀態(tài)下工作，作為“慢速”開(kāi)關(guān)的電子開(kāi)關(guān)。但大多數(shù)應(yīng)用涉及高頻率的連續(xù)開(kāi)關(guān)操作。

在多個(gè)MOSFET之間，即使是細(xì)微(甚至是難以察覺(jué))的電氣特性差異，也可能觸發(fā)瞬時(shí)電壓尖峰和電流分布的不平衡。這種問(wèn)題可能導(dǎo)致高功率損失、線路過(guò)熱以及電子元件損壞。設(shè)計(jì)人員必須研究電路，以確保在所有工作條件下，所有相同性質(zhì)的功率器件上的電流保持平衡和一致。切換設(shè)備時(shí)，建議避免電流集中在某些電子元件上。

實(shí)際上，這可能導(dǎo)致不希望的振蕩過(guò)程和電子開(kāi)關(guān)操作的不平衡。一般來(lái)說(shuō)，由非理想并聯(lián)連接引起的問(wèn)題和原因可能如下：

設(shè)備參數(shù)不匹配

導(dǎo)通電阻(RDS(on))不匹配

柵源電壓(VGS)不匹配

柵極驅(qū)動(dòng)器不匹配

電源電路不匹配

導(dǎo)通電阻

RDS(on)是MOSFET的基本參數(shù)之一。它影響許多操作因素，如元件耗散、最大傳輸電流、系統(tǒng)效率和導(dǎo)通損耗。如果MOSFET關(guān)閉，則漏源電壓高且沒(méi)有電流流動(dòng)。相反，當(dāng)處于激活狀態(tài)時(shí)，漏源電壓下降到幾百毫伏。SiC MOSFET的RDS(on)參數(shù)對(duì)溫度非常敏感，因此在設(shè)計(jì)并聯(lián)設(shè)備的電路時(shí)必須小心(見(jiàn)圖1的曲線圖)。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了負(fù)溫度系數(shù)和正溫度系數(shù)，因此可能出現(xiàn)電流不平衡。曲線圖確認(rèn)，根據(jù)SiC MOSFET的結(jié)溫，通道電阻會(huì)發(fā)生變化。簡(jiǎn)單的多設(shè)備并聯(lián)可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，因?yàn)橐粋€(gè)元件可能比另一個(gè)元件傳輸更多的電流。因此，有必要均勻地散熱所有MOSFET。

02

當(dāng)MOSFET打開(kāi)時(shí)，少量電流通過(guò)并聯(lián)的電子開(kāi)關(guān)，電流與其激活電阻成反比。顯然，電阻最低的設(shè)備傳輸更多的電流。幸運(yùn)的是，SiC MOSFET具有正溫度補(bǔ)償，因此電路中自然平衡發(fā)生，最大限度地減少組件的熱破壞。

然而，MOSFET內(nèi)部的二極管表現(xiàn)不同，隨著電流通過(guò)，溫度升高會(huì)減少傳輸中的電流。電流不平衡可能在轉(zhuǎn)換期間發(fā)生，特別是在開(kāi)關(guān)時(shí)。

振蕩是改變?cè)O(shè)備正常運(yùn)行的高頻信號(hào)。MOSFET的特殊結(jié)構(gòu)實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)諧振電路，具有電容(C)和電感(L)。這兩種元件顯然是寄生元件。如果沒(méi)有外部柵極電阻，諧振電路將具有非常高的Q值。如果發(fā)生諧振，在柵極和源極端子之間會(huì)產(chǎn)生重要的振蕩信號(hào)，導(dǎo)致漏極和源極端子之間產(chǎn)生寄生和不希望的振蕩。

過(guò)度的振蕩電壓可能導(dǎo)致MOSFET誤啟動(dòng)或操作中斷。然而，通常情況下，SiC MOSFET的并聯(lián)連接不會(huì)涉及高風(fēng)險(xiǎn)的振蕩，因此只要采取必要的預(yù)防措施，電路就可以正常運(yùn)行。

03

如今，許多公司通過(guò)并聯(lián)連接多個(gè)MOSFET來(lái)生產(chǎn)SiC功率模塊，當(dāng)然也采用了一些預(yù)防措施。有些制造商通過(guò)這種類型的連接獲得非常強(qiáng)大的元件，因?yàn)樵谶@種連接中，耗散功率是累加的，特別是RDS(on)參數(shù)降低，就像電阻并聯(lián)連接時(shí)一樣。

一般來(lái)說(shuō)，SiC MOSFET可以在不采取特殊措施的情況下并聯(lián)，因?yàn)楫?dāng)它們過(guò)熱時(shí)，它們會(huì)增加其內(nèi)部電阻，從而相對(duì)均勻地分配負(fù)載。盡管單個(gè)元件固有的差異之一顯然的缺點(diǎn)是“柵極”電容的增加，這會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET開(kāi)啟時(shí)間的增加。在這些情況下，柵極電流必須顯著增加，這取決于并聯(lián)連接的設(shè)備數(shù)量。

在高頻下，這種情況可能變得不可接受。對(duì)于舊的功率元件(例如IGBT)，設(shè)計(jì)人員必須克服不斷的挑戰(zhàn)(平衡、大驅(qū)動(dòng)器等)，以創(chuàng)建功率器件之間的良好并聯(lián)連接。使用SiC MOSFET時(shí)，這些挑戰(zhàn)可能會(huì)增加，因?yàn)樯婕暗拈_(kāi)關(guān)頻率更高。元件并聯(lián)化的主要目的是實(shí)現(xiàn)更高的電流額定值。

設(shè)計(jì)人員還需要研究PCB布局。它們應(yīng)具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以分散產(chǎn)生的熱量并大幅減少寄生電感。因此，解決方案包括正確的SiC MOSFET并聯(lián)連接，以增加傳輸電流和功率水平。但是，有一些注意事項(xiàng)需要遵循：

門(mén)檻電壓可能導(dǎo)致電流不平衡

不對(duì)稱寄生電感可能導(dǎo)致電流不平衡

04

如今，器件制造公司已經(jīng)達(dá)到了高水平的制造完美度，生產(chǎn)出幾乎相同的SiC MOSFET元件失衡發(fā)生的可能性很小。然而，門(mén)檻較低的設(shè)備具有較高的瞬態(tài)，因此更高的開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗，總功率損耗更高。

一般來(lái)說(shuō)，如果負(fù)載上的電流大于要使用的每個(gè)設(shè)備的額定值，則可以安全地將兩個(gè)設(shè)備并聯(lián)連接，以將每個(gè)開(kāi)關(guān)上的電流減半。

圖2顯示了一種解決方案，該解決方案采用外部柵極電阻，每個(gè)MOSFET一個(gè)，以減少各設(shè)備之間的開(kāi)關(guān)變化。采用外部柵極電阻并不是奇跡，失衡可能仍然存在。在某些情況下，在這種配置中，由于兩個(gè)MOSFET之間的RLC諧振電路的存在，VGS也可能振蕩。

SiC MOSFET具有正溫度系數(shù)。當(dāng)共享靜態(tài)電流時(shí)，它起到負(fù)反饋的作用。如果一個(gè)設(shè)備吸引更多的電流，它會(huì)升溫，也會(huì)增加其RDS(on)。這樣，傳輸?shù)碾娏鳒p少，也降低了熱不平衡的水平。此外，它們?cè)跍囟认虑袚Q損失的增加非常小。

最后，SiC MOSFET的跨導(dǎo)曲線較為平緩，柵極電壓的小變化對(duì)電流的影響較小，從而有利于多個(gè)設(shè)備之間電流的動(dòng)態(tài)共享。