大功率IGBT和SiC MOSFET的并联设计方案

随着新能源技术的快速发展，对大功率半导体器件的需求日益增加。特别是在可再生能源领域，需要能够承载巨大电流的功率器件。然而，由于生产成本、技术难度以及市场需求等因素的限制，单一的大功率半导体器件往往难以满足这些应用的需求。因此，大功率IGBT和SiCMOSFET的并联设计成为了一种有效的解决方案。本文将介绍并联设计的关键要点，并推荐安森美(onsemi)的几款相应产品。

功率器件为什么需要并联设计？

在光伏发电和风力发电的大功率场景中，功率器件需要承载极大的电流。但功率半导体厂商通常不生产额定电流较大的器件，原因是大尺寸芯片的生产良率低，市场需求不足，以及大电流芯片的封装尺寸较大，还容易引发封装翘曲度增加的问题。行业内常用的方法是，并联多个较小额定电流的器件，这样不仅可以满足大电流的需求，还可以降低导通损耗、提高效率和扩展电流容量等。

但在并联设计的实际应用中，往往会面临导通时不均流、开关时不均流和芯片栅极振荡等问题。

导通时的不均流问题

在并联功率器件的导通过程中，确保电流均匀分配是一项关键考量，而这一过程往往会受到多种因素的干扰，导致出现不均流现象。首要因素是各器件间导通状态下的Vce(sat)和RDS(on)的不一致性。当某些器件表现出更低的Vce(sat)或RDS(on)时，它们自然倾向于承载更多的电流，从而打破了理想的均流状态。其次，门槛电压（Vgs(e)th）的差异也会导致电流分配不均，Vgs(e)th较小的器件，其导通电阻（RDS(on)）也较小，这进一步加剧了电流分配的不均衡。此外，器件的温度特性不容忽视，负温度系数可能导致温度升高时电流分配更加不均，而正温度系数则有助于改善均流效果。

为有效解决静态均流的问题，我们需要从器件选择和系统设计两个层面考虑。

首先，在器件选择上，推荐在标称工作电流下对导通阻抗进行筛选，以确保并联器件之间的阻抗匹配，从而实现更均匀的电流分配。建议优先选择那些Vce(sat)和RDS(on)参数一致或相近的功率器件，确保这些器件参数的差异分别控制在0.1V以内和5%以内。

其次，不同器件Vgs(e)th参数的差异应控制在0.1V以下。最后，采用具有正温度系数（PTC）的功率半导体器件是提升均流效果的明智之举，因为PTC特性能够使器件随温度上升自动调节电流分布，有利于均衡。然而，若应用场景中要求低开关频率且考虑使用负温度系数（NTC）的IGBT以优化导通损耗，必须确保工作电流超过NTC的转折点，以避免温度引起的电流不均衡加剧。

开关时的电流不平衡

在功率半导体器件的开关阶段，动态不均流问题尤为突出，该现象部分归因于器件之间在关键参数上的不一致性，如VTH、米勒平台电压(Vplateau)以及输入电容(Cies)的差异。低VTH的器件会因为其较低的门槛电压而较早导通，同时由于其较小的Cies和栅极-发射极电容(Cge)，充电速度更快，导致这些器件在开关动作中承担较大的能量损耗(Eon和Eoff)。这种能量损耗的集中会导致器件的结温(TJ)升高，进而可能降低VTH，使得这些器件在后续的开关动作中更早导通，形成一个电流集中的循环，加剧了电流不平衡。

其次，较大的源极电感和阻抗会导致器件导通变慢和关断延迟。具体来说，较小的源极杂散电感(LS)会导致器件在导通时承担较大的能量损耗(Eon)，而较大的源极杂散电感则会导致器件在关断时承担较大的能量损耗(Eoff)。这种由于电路布局引起的不均衡，会导致某些器件在开关过程中电流过大，而其他器件电流较小，从而产生电流不平衡。

因此，要解决开关时电流不平衡的问题，需要从器件的电气特性和布局两个方面进行综合考虑和优化。首先对功率器件在标称工作电流下的栅极-发射极Vgs(e)th进行细致的筛选和排序，确保各器件的Vgs(e)th差异控制在0.1V以内，这有助于实现更一致的开关行为。其次，为了均衡电流，需要确保各个功率器件与门级驱动之间的回路长度一致，这有助于减少由于回路差异引起的开关时间不一致。最后，对称的杂散电感设计同样重要，在电路布局中，必须确保从功率器件的源极或发射极到驱动IC之间的杂散电感对称且尽可能相等。

芯片之间栅极振荡问题

栅极振荡问题源于功率器件并联使用时芯片间与外部电路连接时的差异，这些条件共同作用可能引发L-C谐振。具体来说，每个芯片都带有寄生输入电容Cgd和Cgs，当芯片间的公共栅极和源极存在杂散电感时，就可能在芯片间产生L-C谐振。此外，芯片本身参数的微小差异，如门槛电压Vgs(th)的不同，以及外部连接的源极和驱动器之间的不同杂散电感，也可能促成这种谐振。如果电路中缺乏足够的阻抗来消耗这些能量，谐振现象就会发生，导致栅极电压Vgs出现振荡。

这种振荡不仅增加了功率器件的开关损耗，还可能引起重复开关，长期下去可能导致功率器件因损耗过大而损坏。因此，为了减少栅极振荡的风险，设计时需要考虑匹配芯片间的杂散电感，确保并联芯片间的源极（Source）和漏极（Drain）之间的杂散电感（例如上图中的LD1与LD2，LS1与LS2，LG1与LG2）相等或尽可能接近，以减少由于电感不匹配引起的L-C谐振。如果芯片的内部门极电阻为零欧姆或非常低，应为每个器件单独配置外部门极电阻(Rg)。这有助于消耗由L-C谐振产生的能量，减少栅极振荡。

单管并联还是模块，在设计中如何选择？

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采用第7 代 (FS7)绝缘栅双极晶体管(IGBT)技术的1200VSPM31智能功率模块(IPM)，与市场上其他领先的解决方案相比，SPM31 IPM能效更高、尺寸更小、功率密度更高，因而总体系统成本更低。由于这些IPM集成了优化的IGBT，实现了更高效率，因此非常适合三相变频驱动应用，如热泵、商用暖通空调（HVAC）系统以及工业泵和风扇。