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功率器件技术 SiC器件 ★ 4.0

一种用于带开尔文源连接的并联SiC MOSFET动态电流均衡的电流平衡栅极驱动器

A Current-Balancing Gate Driver for Dynamic Current Sharing of Paralleled SiC MOSFETs With Kelvin-Source Connection

作者 Che-Wei Chang · Matthias Spieler · Ayman M. EL-Refaie · Renato Amorim Torres · Rolando Burgos · Dong Dong
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年10月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 动态均流 寄生参数 差模电感门驱动器 实验验证
语言:

中文摘要

将碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)并联是提高电流处理能力的一种经济有效的解决方案。此外,采用开尔文源极配置已被证明有助于改善开关性能。然而,并联器件之间的动态电流不平衡会带来重大风险,包括损耗不均、结温不一致,在极端情况下还会出现热失控,最终导致器件失效。本文首先推导了动态电流共享的时域数学模型,该过程可用等效电路模型描述。随后,进行了全面的参数研究,以探究寄生元件对动态电流共享的影响,并给出了实际的布局建议。利用电流共享机制,将差模电感(DMC)集成到栅极驱动器中以平衡动态电流。对用于并联碳化硅MOSFET的差模电感栅极驱动器进行了全面分析,该方法成本低、易于实现且无需主动控制。借助推导出的数学模型,可针对各种应用设计差模电感。搭建了一个采用并联分立碳化硅MOSFET的原型,以验证寄生参数研究结果以及差模电感栅极驱动器的有效性。实验结果表明,在功率和栅极驱动布局不匹配、多器件以及栅极驱动信号不平衡的情况下,差模电感栅极驱动器能够改善动态电流共享。

English Abstract

Paralleling the silicon carbide (SiC) mosfets is a cost-effective solution to augment the current handling capabilities. Furthermore, the utilization of the Kelvin-source configuration has been demonstrably beneficial in improving switching performance. Nevertheless, the dynamic current imbalance among paralleled devices poses significant risks, including disproportionate losses, unequal junction temperatures, and, in extreme cases, thermal runaway, eventually leading to device failure. In this article, a time-domain mathematical model for dynamic current sharing is first derived, and the process can be described by an equivalent circuit model. Subsequently, a comprehensive parameter study is conducted to investigate the impact of parasitic components on dynamic current sharing, accompanied by practical layout suggestions. By utilizing the mechanism of current sharing, a differential-mode choke (DMC) is integrated into the gate driver to balance the dynamic currents. A comprehensive analysis of DMC gate driver for paralleled SiC mosfets is carried out, and this method is low-cost, easy-to-implement, and requires no active control. With the aids of derived mathematical model, the DMC can be designed for various applications. A prototype with paralleled discrete SiC mosfets is built to verify the parasitic study and effectiveness of the DMC gate driver. Based on the experimental results, the DMC gate driver can enhance the dynamic current sharing under scenarios of mismatched power- and gate-driving layouts, multiple devices, and unbalanced gate-driving signals.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项SiC MOSFET并联均流技术具有显著的应用价值。在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,大功率应用场景普遍采用SiC器件并联方案以提升电流处理能力,这项技术直接切中了我们产品设计的痛点。

该论文提出的差模扼流圈(DMC)门极驱动方案,通过被动元件实现动态电流均衡,无需主动控制,这与阳光电源追求高可靠性、低成本的产品策略高度契合。在我们的大功率组串式逆变器和MW级储能PCS产品中,多管并联是常见拓扑,而动态电流不均衡导致的局部过热和器件应力不均一直是影响系统长期可靠性的隐患。该技术通过系统化的寄生参数分析和数学建模,为优化PCB布局和门极驱动设计提供了理论依据,可直接应用于我们新一代高功率密度产品的开发。

技术成熟度方面,该方案基于成熟的磁性元件技术,工程实现难度较低,适合快速产品化。特别是在开尔文源极连接配置下的应用研究,与我们当前SiC器件应用的最佳实践相吻合。潜在挑战在于DMC参数需要针对不同功率等级和开关频率进行定制化设计,这要求建立完善的仿真模型库和验证流程。

对于阳光电源而言,这项技术的引入可显著提升产品的过载能力和温度裕度,降低散热系统成本,同时提高多管并联方案的一致性和可制造性,为进一步提升系统功率密度和市场竞争力创造条件。建议组织专项技术评估,探索在1500V高压储能系统等旗舰产品线的应用可行性。