技术｜并联SiC功率器件的新型磁集成并联均流控制方法

碳化硅芯观察 2024-03-01 22:41

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前言：

本文提出了一种用于并联碳化硅（SiC）功率器件的新型磁集成并联均流控制方法。分析了并联SiC功率器件的应用问题。采用耦合电感法来解决该问题。基于有源反馈变换器，建立了耦合电感的理论模型，并阐明了其工作机理。根据工作机理设计了集成磁性器件，并通过仿真确定了其有效性。制造并测试了 12 V/10 A 输出磁性集成有源反激转换器原型以验证该策略。

测量结果表明，采用所提出的磁集成方法，在所有负载条件下失配电压均被抑制至0.1 V，满负载条件下效率最多提高6.52%。

本文作者：孙世凯、刘家琳、陈雷、王远、杨文浩、孙玉银、郭慧等

碳化硅（SiC）材料由于其宽带隙、高临界场和高导热性，可以将半导体器件和电力系统的功率密度和效率推向更高的极限[ 1,2,3 ]。随着SiC技术的发展，SiC功率器件的应用越来越普及[ 4 , 5 ]。低开关损耗特性有利于降低功率损耗和提高工作频率，从而使用更小的无源元件并提高功率密度[ 6 , 7 ]。

电力电子技术的发展对额定电流的要求越来越高，这就促进了功率器件的并联化。当采用并联连接时，并联功率器件之间的电流不平衡成为主要问题[ 8 ]。电流不平衡是由于并联半导体之间的器件参数不匹配或电路布局不对称时其对应电路的寄生参数不匹配造成的。这种情况可能会导致传导和开关损耗，从而进一步导致热分布问题。

对于 SiC 功率器件应用，导通电阻值小于对应的 Si 器件。一点点的不匹配可能会导致很大的百分比变化。因此，SiC功率器件对并联应用中器件参数的变化更加敏感。目前的失配现象已经在SiC器件的并联应用中出现[ 9 , 10 ]。参考号 [ 11 ]分析了器件参数的变化对并联SiC MOSFET均流的影响。静态和瞬态均流的实验研究在参考文献中进行。[ 12 ]。封装SiC功率器件的并联应用在参考文献中进行了评估。[ 13 ]。上述文章对器件的失配机制进行了详细的分析。

人们对电流抑制的不平衡进行了许多研究。从研究对象来看，不平衡电流抑制方法可分为三类：器件分类；设备运行状态监测；和电路拓扑[ 14、15、16、17、18、19 ] 。提出芯片筛选方法来解决不对称布局引入的失配问题[ 20 ]。

设备分类观点的典型代表是参考文献中提出的传递曲线距离系数分类标准。[ 14 ]。本文对影响器件特性的因素进行了评估，发现传输特性是影响器件特性的主要因素。该策略通过对器件传递曲线的距离系数进行加权来实现失配抑制。该策略需要对每一个设备进行测试，限制了其海量应用和通用性。器件工作状态监控的典型代表是 SiC MOSFET 栅极驱动方案，该方案具有动态电流均衡机制，可用于参考文献 1 中提出的过流保护。[ 21 ]。

该方案通过逐周期监测器件电流，实现不同阈值电压的SiC MOSFET同时开通，实现并联器件失配电流抑制。然而，该策略需要添加额外的设备来抑制不匹配。抑制失配电流的电路结构路线以并联电流反馈等流谐振变换器为代表[ 22 ]。该策略采用两级结构，包括交错并联升压转换器和双磁耦合半桥 LLC 谐振转换。该方案增加了两个电感来实现并联均流，增加了变换器中磁性器件的数量，同时也增加了铁损和铜损。

本文提出了一种新颖的磁集成策略，以在不增加转换器核心的数量和尺寸的情况下实现并行均衡控制。为了验证所提出的策略，设计、制造和测试了原型转换器。实测结果表明，在整个负载范围内，功率效率最多提高了6.52%。