技術｜并聯SiC功率器件的新型磁集成并聯均流控制方法

碳化硅芯觀察 2024-03-01 22:41

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前言：

本文提出了一種用于并聯碳化硅（SiC）功率器件的新型磁集成并聯均流控制方法。分析了并聯SiC功率器件的應用問題。采用耦合電感法來解決該問題。基于有源反饋變換器，建立了耦合電感的理論模型，并闡明了其工作機理。根據工作機理設計了集成磁性器件，并通過仿真確定了其有效性。制造并測試了 12 V/10 A 輸出磁性集成有源反激轉換器原型以驗證該策略。

測量結果表明，采用所提出的磁集成方法，在所有負載條件下失配電壓均被抑制至0.1 V，滿負載條件下效率最多提高6.52%。

本文作者：孫世凱、劉家琳、陳雷、王遠、楊文浩、孫玉銀、郭慧等

碳化硅（SiC）材料由于其寬帶隙、高臨界場和高導熱性，可以將半導體器件和電力系統的功率密度和效率推向更高的極限[ 1,2,3 ]。隨著SiC技術的發展，SiC功率器件的應用越來越普及[ 4 , 5 ]。低開關損耗特性有利于降低功率損耗和提高工作頻率，從而使用更小的無源元件并提高功率密度[ 6 , 7 ]。

電力電子技術的發展對額定電流的要求越來越高，這就促進了功率器件的并聯化。當采用并聯連接時，并聯功率器件之間的電流不平衡成為主要問題[ 8 ]。電流不平衡是由于并聯半導體之間的器件參數不匹配或電路布局不對稱時其對應電路的寄生參數不匹配造成的。這種情況可能會導致傳導和開關損耗，從而進一步導致熱分布問題。

對于 SiC 功率器件應用，導通電阻值小于對應的 Si 器件。一點點的不匹配可能會導致很大的百分比變化。因此，SiC功率器件對并聯應用中器件參數的變化更加敏感。目前的失配現象已經在SiC器件的并聯應用中出現[ 9 , 10 ]。參考號 [ 11 ]分析了器件參數的變化對并聯SiC MOSFET均流的影響。靜態和瞬態均流的實驗研究在參考文獻中進行。[ 12 ]。封裝SiC功率器件的并聯應用在參考文獻中進行了評估。[ 13 ]。上述文章對器件的失配機制進行了詳細的分析。

人們對電流抑制的不平衡進行了許多研究。從研究對象來看，不平衡電流抑制方法可分為三類：器件分類；設備運行狀態監測；和電路拓撲[ 14、15、16、17、18、19 ] 。提出芯片篩選方法來解決不對稱布局引入的失配問題[ 20 ]。

設備分類觀點的典型代表是參考文獻中提出的傳遞曲線距離系數分類標準。[ 14 ]。本文對影響器件特性的因素進行了評估，發現傳輸特性是影響器件特性的主要因素。該策略通過對器件傳遞曲線的距離系數進行加權來實現失配抑制。該策略需要對每一個設備進行測試，限制了其海量應用和通用性。器件工作狀態監控的典型代表是 SiC MOSFET 柵極驅動方案，該方案具有動態電流均衡機制，可用于參考文獻 1 中提出的過流保護。[ 21 ]。

該方案通過逐周期監測器件電流，實現不同閾值電壓的SiC MOSFET同時開通，實現并聯器件失配電流抑制。然而，該策略需要添加額外的設備來抑制不匹配。抑制失配電流的電路結構路線以并聯電流反饋等流諧振變換器為代表[ 22 ]。該策略采用兩級結構，包括交錯并聯升壓轉換器和雙磁耦合半橋 LLC 諧振轉換。該方案增加了兩個電感來實現并聯均流，增加了變換器中磁性器件的數量，同時也增加了鐵損和銅損。

本文提出了一種新穎的磁集成策略，以在不增加轉換器核心的數量和尺寸的情況下實現并行均衡控制。為了驗證所提出的策略，設計、制造和測試了原型轉換器。實測結果表明，在整個負載范圍內，功率效率最多提高了6.52%。