【经验】碳化硅MOSFET在并联应用中的动态和静态特性研究

时间： 2018-11-27 来源：WOLFSPEED

大家对高速碳化硅MOSFET的并联应用有很少的研究，本文将着重介绍碳化硅MOSFET在并联应用中的动态和静态特性，以及器件结温的敏感特性。我们采用SEPIC变换器对不同栅极驱动电阻和不同开关频率下并联MOSFET的壳温差进行了实验测量，结果表明具有低栅极驱动电阻的最新一代碳化硅 MOSFET，电流和温度可以很好地平衡。本文选择的样品WOLFSPEED的1200V/10A第一代（Gen-I）碳化硅MOSFET-CMF10120D和C2MTM碳化硅MOSFET-C2M0160120D。

1、引言

与市售的碳化硅 MOSFET模块相比，分立器件并联使用的优点包括：1）由更多并联分立器件产生的热量可以均匀地分布在散热器上，峰值温度以及结温和环境之间的温度差较小。2）多个分立器件并联使用，应用灵活。3）成本低，效益高。

当两个或更多个碳化硅MOSFET并联时，它们的电流可能由于Rds(on)和阈值电压(Vth)的不同而不平衡。图1和图2显示了室温下30个1200V/10A碳化硅MOSFET-C2M0160120D的Rds(on)和Vth分布，其最大Rds(on)大约是最小Rds(on)的1.2倍，而最大阈值电压是3.08V，而最小阈值电压是2.48V；具有较低Vth的碳化硅MOSFET开关速度更快，Rds(on)和Vth也会对器件的结温参数产生影响。

图1 导通电阻方差

图2 栅极阈值电压方差

2、Rds（On）对静态均流的影响

碳化硅MOSFET导通电阻 Rds（on）具有正温度系数（PTC），较高结温时，其并联电流较小，但其温度依赖性没有硅MOSFET强。碳化硅MOSFET的Rds（on）主要由三个部分组成：沟道电阻（Rch）具有NTC特性；JFET区域电阻（Rjeft）具有PTC特性；漂移区电阻（Rdrift）具有PTC特性； Rch将成为低Vgs的主导，因此整体Rds（on）将显示NTC特性。由于沟道电阻的改善，C2M0160120D显示出更强的Rds（on）温度依赖性，可以通过提高导通电压以确保并联操作中的电流均流，以减少传导损耗。

图3 碳化硅MOSFET Rds（on）特性

3、Vth对动态均流的影响

在不考虑开关损耗的情况下，可以通过Rds（on）的PTC特性平衡并联的碳化硅MOSFET的电流和温度；但如果两个并联MOSFET的阈值电压不同，则开关损耗不能总是相等。通过试验表明，如果两个碳化硅MOSFET的传导损耗和散热片温度相同，由于Vth的NTC特性，Vth将使得结温温度降低，然后形成正反馈，开关损耗差异将会增加。C2MTM 碳化硅MOSFET相对于Gen-I 碳化硅MOSFET具有更明显的并联运行优势，其切换速率更快，由Vth方差引起的开关损耗更小。

图4碳化硅MOSFET 的阈值电压和导通电阻

4、SEPIC转换器碳化硅MOSFET并联实验研究

为了安全操作，尽可能将两个碳化硅MOSFET的结温保持一致，样品被放入SEPIC转换器中，SEPIC转换器的占空比为50％。每个碳化硅MOSFET具有两个栅极驱动电阻R1和R2，一个连接到栅极;，另一个已连接到源极；这样的布置可以确保每个器件的所有漏极电流通过其源极端子到达地端，可以单独测量每个碳化硅MOSFET的电流值大小。

图5 SEPIC转换器拓扑结构

图6 SEPIC转换器硬件图

首先，通过选择较小的Rg或较低的开关频率，样品A和样品B的开关损耗和外壳温度差将更低。其次，在相同的测试条件下，C2MTM 10A/1200V 碳化硅MOSFET相对于Gen-I 10A/1200V 碳化硅MOSFET具有更低的外壳温差。第三，通过使用较低的Rg值而不添加额外的平衡电路，碳化硅MOSFET可直接并联使用。

5、结论

通过碳化硅MOSFET的并联试验得出结论：1）Rds（on）和Vth分别影响碳化硅MOSFET并联运行时的静态电流均流和动态电流均流； 2）提高碳化硅MOSFET栅极驱动导通电压可以降低导通损耗； 3）降低碳化硅MOSFET栅极驱动电阻可以改善动态电流均流，降低开关损耗； 4）与具有相同额定电流的Gen-I碳化硅MOSFET相比，C2MTM 碳化硅MOSFET更适合并联使用。

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