CN113381599B - 一种并联SiC MOSFET安全工作域计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联SiC MOSFET安全工作域计算方法。步骤1：确定MOSFET的安全工作域，安全工作域由导通电阻限制线R_DSon、连续漏源极电流I_M、功率损耗限制边界P_M和最大漏源极击穿电压V_DSS四条边界线组成；步骤2：计算步骤1的导通电阻限制线R_DSon；步骤3：通过最大耗散功率P_D和导通电阻计算步骤1的连续漏源I_M；步骤4：基于步骤1到3，结合电流寄生电感确定并联结构SiC MOSFET的安全工作域。本发明用以解决电流不均衡分布对并联结构SiC MOSFET会损毁的问题。

Description

一种并联SiC MOSFET安全工作域计算方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种并联SiC MOSFET安全工作域计算方法。

背景技术

SiC MOSFET作为宽禁带功率器件的代表，凭借更快的导通关断时间、更高的耐受电压等优势，成为中、高压电力电子设备的核心功率器件。SiC MOSFET作为一种电力电子器件，器件开关特性易受到温度等因素影响，将直接导致器件损毁失效。为了保证MOSFET器件能够可靠运行，在器件手册中都会给出安全工作域SOA用以限定MOSFET的实际应用电压电流等级，防止在电力电子设备运行条件发生突变时，引发器件超出安全工作域而损坏。为了更好的应对功率等级提升带来的成本问题，并联SiC MOSFET器件的应用更为经济高效，但并联结构下，SiC MOSFET更易受到分布参数影响造成并联电流不均衡，将会导致器件内的热量累积和热失效，同时寄生电感导致的关断电压尖峰也是导致器件失效的又一因素，因此考虑寄生电感存在差异下的安全工作域边界条件是保证并联结构稳定的前提。

传统MOSFET的安全工作域是器件厂商给出的25℃环境下，不同电压电流边界条件所围成的区域，保证单个器件最大的工作范围。但是在并联结构下，由于并联支路寄生电感分布不均衡造成并联电流差异过大，伴随更高的关断电压过冲，直接造成SiC MOSFET器件损毁。传统SiC MOSFET的SOA都是针对单个器件的极限工作条件，但在并联应用下，电流不均衡分布对并联结构的SOA具有较大的影响。

发明内容

本发明提供一种并联SiC MOSFET安全工作域计算方法，用以解决电流不均衡分布对并联结构SiC MOSFET会损毁的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种并联SiC MOSFET安全工作域计算方法，所述计算方法包括以下步骤：

步骤1：确定MOSFET的安全工作域，安全工作域由导通电阻限制线R_DSon、连续漏源极电流I_M、功率损耗限制边界P_M和最大漏源极击穿电压V_DSS四条边界线组成；

步骤2：计算步骤1的导通电阻限制线R_DSon；

步骤3：通过最大耗散功率P_D和导通电阻限制线R_DSon计算步骤1的连续漏源极电流I_M；

步骤4：基于步骤1到3，结合电流寄生电感确定并联结构SiC MOSFET的安全工作域。

进一步的，所述步骤1中导通电阻限制线R_DSon表示为，

R_Dson＝U_DS/I_ds (1)

连续漏源I_M为器件最大持续电流，可以依靠最大耗散功率P_D和导通电阻进行计算：

其中P_D和器件封装最大耗散功率，一旦器件的热功率超过器P_D直接造成器件热失效；耗散功率P_D由器件最大壳温和热阻计算：

进一步的，所述步骤4具体为，由并联SiC MOSFET电流、寄生电感和电压的关系与不均衡电流的差异，得到并联电流差异和寄生电感差异之间关系，可知整个导通过程的均流差异不仅和寄生电感差异有关，也伴随着实际负载电流的动态变化。

进一步的，对并联SiC MOSFET电流为i₁(t)和i₂(t)，设其关系为i₁(t)＝i₂(t)+Δi(t)，在其导通阶段，并联电流主要受到寄生电感影响，根据电压关系：

其中L_P和ΔL_P分别表示并联支路中的寄生电感和两支路中寄生电感差异，R_DSon为导通电阻，代入并联支路电流关系有：

代入并联均流电流i(t)和不均衡电流i₂(t)的关系，

则不均衡电流差异微分方程可以表示为：

求解微分方程，得到并联电流差异和寄生电感差异之间关系为：

寄生电感导致的并联支路中电流差异伴随着导通阶段中的电流差异，t_d为开通阶段的电流上升持续时间，Δi(t_d)表示开通阶段并联电流差异。整个导通过程的均流差异不仅和寄生电感差异ΔL_P有关，也伴随着实际负载电流的动态变化。

进一步的，在并联支路寄生电感均为L_P下，并联的SiC MOSFET实现完全均流，支路电流为i(t)，为保证SiC MOSFET安全动作，其关断瞬态电压尖峰ΔU_{DS_peak}需要满足：

式中t_f表示SiC MOSFET的电流下降时间，D表示开关频率下占空比，T_S表示开关周期时间；当并联支路存在有寄生电感差异ΔL_P导致的Δi(t)时，并联SiC MOSFET的关断瞬态电压尖峰为：

考虑电流差异公式(6)和并联支路间关系2i(t)＝2i₂(t)+Δi(t)，则关断瞬态电压差异为：

相比于并联均流下，由于寄生电感差异导致的并联支路电流差异，会造成并联SiCMOSFET的关断瞬态电压尖峰有所增加。

进一步的，对于并联SiC MOSFET器件，在并联支路对称时，支路电流分布均衡下的SiC MOSFET实际安全工作域中的导通电阻限制线R_DSon和最大持续电流I_DS限制线都通过公式(1)和(2)计算得到；

最大击穿电压限制线需考虑由于支路寄生电感导致的关断电压电压尖峰，即满足公式(7)；

最大电压缩减ΔU通过公式(9)计算得到；

最大漏源极电流缩减量通过公式(11)得到，

本发明的有益效果是：

本发明的并联电压边界线考虑寄生电感差异造成电压尖峰，设定的安全工作域保证并联结构器件可靠动作。

本发明的定量化分析，实现对并联结构下电流、电压边界限制线的差异精确计算。

附图说明

图1是并联SiC MOSFET不均流下安全工作域示意图。

图2是寄生电感差异于并联电流差异建模结果示意图。

图3是寄生电感差异与并联均流差异仿真结果示意图。

图4是不同寄生电感下漏源极电压差异仿真结果示意图。

图5是提出并联SiC MOSFET尖峰电压差异模型示意图。

图6是并联SiC MOSFET安全工作域描述模型示意图。

图7是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

MOSFET器件在并联应用时，由于寄生分布参数的不均衡分布，并联支路电流很难做到完全一致，此外SiC MOSFET的导通关断时间更短，当支路中存在较大的寄生电感直接导致过大的雪崩击穿电压。

一种并联SiC MOSFET安全工作域计算方法，所述计算方法包括以下步骤：

步骤1：确定MOSFET的安全工作域，安全工作域由导通电阻限制线R_DSon、连续漏源极电流I_M、功率损耗限制边界P_M和最大漏源极击穿电压V_DSS四条边界线组成；在漏源极电压和漏源极电流为坐标系内围成的区域，MOSFET器件工作条件只要在该工作区域内，保证器件不会失效；

步骤2：计算步骤1的导通电阻限制线R_DSon；

步骤3：通过最大耗散功率P_D和导通电阻限制线R_DSon计算步骤1的连续漏源极电流I_M；

步骤4：基于步骤1到3，结合电流寄生电感确定并联结构SiC MOSFET的安全工作域。

进一步的，所述步骤4具体为，由并联SiC MOSFET电流、寄生电感和电压的关系与不均衡电流的差异，得到并联电流差异和寄生电感差异之间关系，可知整个导通过程的均流差异不仅和寄生电感差异有关，也伴随着实际负载电流的动态变化。

进一步的，所述步骤1中导通电阻限制线R_DSon表示为，

R_Dson＝U_DS/I_ds (1)

连续漏源I_M为器件最大持续电流，可以依靠最大耗散功率P_D和导通电阻进行计算：

其中P_D和器件封装最大耗散功率，一旦器件的热功率超过器P_D直接造成器件热失效；耗散功率P_D可以由器件最大壳温和热阻计算：

上述最大结温T_jmax和热阻R_θjc等器件固有参数，其大小和器件结构、材料和生产工艺等相关的，限制了MOSFET器件所能承受的极限工作范围，器件手册中也会给出。

但是对于并联SiC MOSFET结构下的器件安全工作域而言，由于SiC MOSFET自身固有高电流变化率的特性，在高寄生电感的回路中，引起更高的关断电压过冲。并联应用的SiC MOSFET器件，寄生电感分布不均衡，不仅会加剧并联电流差异，同时也会导致更高的电压过冲。因此，在并联结构SiC MOSFET的安全工作域相比于单器件安全工作域在最大击穿电压限制线中应考虑寄生电感差异导致的并联均流不平衡分布和较高的电压过冲。

进一步的，对并联SiC MOSFET电流为i₁(t)和i₂(t)，设其关系为i₁(t)＝i₂(t)+Δi(t)，在其导通阶段，并联电流主要受到寄生电感影响，根据电压关系：

其中L_P和ΔL_P分别表示并联支路中的寄生电感和两支路中寄生电感差异，R_DSon为导通电阻，代入并联支路电流关系有：

代入并联均流电流i(t)和不均衡电流i₂(t)的关系，

则不均衡电流差异微分方程可以表示为：

求解微分方程，得到并联电流差异和寄生电感差异之间关系为：

寄生电感导致的并联支路中电流差异伴随着导通阶段中的电流差异，t_d为开通阶段的电流上升持续时间，Δi(t_d)表示开通阶段并联电流差异。整个导通过程的均流差异不仅和寄生电感差异ΔL_P有关，也伴随着实际负载电流的动态变化。

进一步的，在并联支路寄生电感均为L_P下，并联的SiC MOSFET实现完全均流，支路电流为i(t)，为保证SiC MOSFET安全动作，其关断瞬态电压尖峰ΔU_{DS_peak}需要满足：

式中t_f表示SiC MOSFET的电流下降时间，D表示开关频率下占空比，T_S表示开关周期时间；当并联支路存在有寄生电感差异ΔL_P导致的Δi(t)时，并联SiC MOSFET的关断瞬态电压尖峰为：

考虑电流差异公式(6)和并联支路间关系2i(t)＝2i₂(t)+Δi(t)，则关断瞬态电压差异为：

相比于并联均流下，由于寄生电感差异导致的并联支路电流差异，会造成并联SiCMOSFET的关断瞬态电压尖峰有所增加。

进一步的，对于并联SiC MOSFET器件，在并联支路对称时，支路电流分布均衡下的SiC MOSFET实际安全工作域中的导通电阻限制线和最大持续电流I_DS限制线都通过公式(1)和(2)计算得到；

最大击穿电压限制线需考虑由于支路寄生电感导致的关断电压电压尖峰，即满足公式(7)；

最大电压缩减ΔU通过公式(9)计算得到；

最大漏源极电流缩减量通过公式(11)得到，

对于并联SiC MOSFET器件，在并联支路对称时，支路电流分布均衡下的SiCMOSFET实际安全工作域中的导通电阻限制线和最大持续电流I_DS限制线都可以继续利用公式(1)、(2)计算；最大击穿电压限制线需考虑由于支路寄生电感导致的关断电压电压尖峰，即满足公式(7)。而当并联支路电流不均衡时，由于寄生电感导致的并联支路电流分布不均衡，产生电流差异Δi(t)，同时关断电压尖峰也发生变化，此时的实际工作域如图1所示，图中最大电压缩减ΔU可利用公式(9)进行计算，最大漏源极电流缩减量可以表示为公式(11)。

以双脉冲测试电路为例，模拟感性负载并联电流下电流差异和关断瞬态电压差异，公式(5)中的i₂(t)的导数可以表示为：

代入公式(7)中即可求得并联电流关系的时域表达式：

结合直流电压、负载电感及SiC MOSFET器件参数等如表格1所示。本发明所提出的寄生电感和并联均流差异模型，在双脉冲应用电路中的模型结果如图2所示；相同条件下的仿真结果如图3所示，两者数值相近。

表1直流电网潮流计算结果对比

如图4所示，为不同寄生电感下，并联SiC MOSFET的电压差异。图5为本发明所提出并联SiC MOSFET安全工作域边界描述模型的理论计算结果。相同寄生电感下，最大关断电压尖峰差异基本相同。

本发明所提出并联SiC MOSFET不均衡电流下的安全工作域示意图如图6所示，考虑高频下寄生电感对并联电流分布造成的差异和寄生电感差异导致的高关断电压尖峰，会造成并联SiC MOSFET器件安全工作域的最大漏源极电流边界线和最大漏源极电压边界线向内偏移，由寄生电感差异导致的安全工作域边界线的偏移量可以依靠公式(10)和公式(11)进行计算。依靠并联SiC MOSFET电流不均衡分布下安全工作域的约束，实现特定电路下器件工作区间估算，保证并联结构下的SiC MOSFET稳定工作。

Claims (1)

1.一种并联SiC MOSFET安全工作域计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：

步骤1：确定MOSFET的安全工作域，安全工作域由导通电阻限制线R_DSon、连续漏源极电流I_M、功率损耗限制边界P_M和最大漏源极击穿电压V_DSS四条边界线组成；

步骤2：计算步骤1的导通电阻限制线R_DSon；

步骤3：通过最大耗散功率P_D和导通电阻限制线R_DSon计算步骤1的连续漏源极电流I_M；

步骤4：基于步骤1到3，结合电流寄生电感确定并联结构SiC MOSFET的安全工作域；

所述步骤1中导通电阻限制线R_DSon表示为，

R_Dson＝U_DS/I_ds (1)

连续漏源极电流I_M为器件最大持续电流，依靠最大耗散功率P_D和导通电阻限制线R_DSon进行计算：

其中P_D是器件封装最大耗散功率，一旦器件的热功率超过P_D直接造成器件热失效；耗散功率P_D由器件最大结温T_jmax和热阻R_θjc计算：

所述步骤4具体为，由并联SiC MOSFET电流、寄生电感和电压的关系与不均衡电流的差异，得到并联电流差异和寄生电感差异之间关系，可知整个导通过程的均流差异不仅和寄生电感差异有关，也伴随着实际负载电流的动态变化；

对并联SiC MOSFET电流为i₁(t)和i₂(t)，设其关系为i₁(t)＝i₂(t)+Δi(t)，在其导通阶段，并联电流主要受到寄生电感影响，根据电压关系：

其中L_P和ΔL_P分别表示并联支路中的寄生电感和两支路中寄生电感差异，R_DSon为导通电阻限制线，代入并联支路电流关系有：

代入并联均流电流i(t)和不均衡电流i₂(t)的关系，

则不均衡电流差异微分方程可以表示为：

求解微分方程，得到并联电流差异和寄生电感差异之间关系为：

寄生电感导致的并联支路中电流差异伴随着导通阶段中的电流差异，t_d为开通阶段的电流上升持续时间，Δi(t_d)表示开通阶段并联电流差异；整个导通过程的均流差异不仅和寄生电感差异ΔL_P有关，也伴随着实际负载电流的动态变化；

在并联支路寄生电感均为L_P下，并联的SiC MOSFET实现完全均流，支路电流为i(t)，为保证SiC MOSFET安全动作，其关断瞬态电压尖峰ΔU_{DS_peak}需要满足：

式中t_f表示SiC MOSFET的电流下降时间，D表示开关频率下占空比，T_S表示开关周期时间；U_dc表示SiC MOSFET应用母线电压；当并联支路存在有寄生电感差异ΔL_P导致的Δi(t)时，并联SiC MOSFET的关断瞬态电压尖峰为：

考虑电流差异公式(6)和并联支路间关系2i(t)＝2i₂(t)+Δi(t)，则关断瞬态电压差异为：

相比于并联均流下，由于寄生电感差异导致的并联支路电流差异，会造成并联SiCMOSFET的关断瞬态电压尖峰有所增加；

对于并联SiC MOSFET器件，在并联支路对称时，支路电流分布均衡下的SiC MOSFET实际安全工作域中的导通电阻限制线R_DSon和最大持续电流I_M限制线都通过公式(1)和(2)计算得到；

最大击穿电压限制线需考虑由于支路寄生电感导致的关断电压电压尖峰，即满足公式(7)；

最大电压缩减ΔU通过公式(9)计算得到；

最大漏源极电流缩减量通过公式(11)得到，

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