1 引言

近年来，出现了许多新型宽禁带半导体材料，包括SiC、GaN 等。这些材料对器件的性能有较大的提升，为进一步提升模块的指标提供了可能。SiC 材料由于禁带宽段宽，临界电场强度高，电子迁移率高这些优异性能在大功率应用有很大的潜能。但是实际工作下是否能够提供优越的性能，特别地，是否能应用

在大功率场合需要证明。尽管现在碳化硅器件的功率等级逐渐提升，Cree公司可以提供1200V160A功率等级的SiCMOSFET但是市场对于兆瓦级大功率变流器的需求也是与日俱增。那么器件的并联方案逐渐被采用而成为一种趋势在这样的大功率应用中，芯片的均流问题也随之凸显。并联必然会由于器件，回路和驱动的差异而产生不同程度的不均流问题。器件不均流会使得器件的损耗不同，发热不同。在稳定工作状态，不同芯片之间必然有一定的温度差，才能保持此稳定工作状态。这时总的功率就被温度最高的器件所限定。因此SiCMOSFET的均流问题对于其并联以扩大功率等级有着重要的意义。由于初衷是想探究模块内部的SiCMOSFET芯片并联均流的情况，因此本次研究将直接对裸片进行测试。

2 测试平台搭建

本次研究为了测试 SiCMOSFET的并联均流性能，采用双脉冲动态测试。通过双脉冲测试，可以获取器件在静态和动态的均流情况以进行研究。电路原理图如下图1所示。

下管开关管选用Cree公司的1200V150A SC MOSFET(为了与之比较，还会用Infineon 公司的1200V/50AIGBT)，上管二极管同样选用 Cree 公司的1200V/50ASiC 二极管。为了对裸片进行测试，这里采用与模块封装相似的方法，一方面利用真空回流焊将芯片的漏极焊在PCB板上。另一方面利用超声焊接将芯片的栅极和源极与PCB相连。因为本次研究是要对器件的均流问题进行研究，所以需要注意两路保持对称，特别是换流回路的对称，以免引入电路版图设计导致的不均流因素。同时为了减小寄生电感，一方面在二极管阴极和 MOSFET 源极很近的地方并联了陶瓷电容作为解耦电容，以减小高频环流回路;另一方面电路版图充分发挥了抵消效应，使环流回路的寄生电感减到更低。减小回路寄生电感的好处在于减小了关断过程的电压过冲和电路中的振荡。

为了使外电路尽量一致(包括驱动)，两路器件的栅极都用同一个驱动来控制。电压测试采用普通电压探头,因为测试母线电压为 380V,普通电压探头足够承受此电压,而且此电压探头测试带宽比差分探头宽。电流检测首先考虑到开通或关断过程持续时间较短的时候只有10ns左右(SiC MOSFET)，那么测量电流的探头带宽至少要有100MHz。同时测量电流中还包括直流分量，所以我们选取同轴电阻(currentshunt)作为电流检测设备。同轴电阻的寄生电感较小，可以测试较高频率的电流。

3 均流测试与分析

利用上面所述搭建的平台，对SiCMOSFET进行了并联均流测试，包括静态均流和动态均流。同时为了说明碳化硅 MOSFET的均流问题，本次研究还对同等级Si的IGBT进行了测试。测试是在室温 25℃、母线电压380V的条件下进行，测试过程中将改变工作电流观察这一参数对均流的影响。

3.1 静态均流

利用同轴电阳检测两路 MOSFET在静态导通电流时，分别流过的电流，并计算出了两路的差异。这里的测试在不同大小的电流情况下分别进行了测试，测试结果如下图2所示。

从上图2可以看到，静态时两路芯片导通电流存在差异，在Ids=5A 时差异为3%。这种差异性在大电流时显得更加突出，当导通电流 Ids达到 50A 时，两路差异达到了10%，而在对 SiIGBT进行静态均流测试时基本看不到两路电流有明显的差异。由于我们测试的两块 MOSFET芯片是随机选取的，本文认为产生这种差异性的一大原因是 SiC MOSFET器件的离散度较大。

3.2 动态均流

本次研究不仅观察了 SiCMOSFET 在静态的均流情况，还观察了在动态开关过程中的两路均流情况。由于开关过程电流是变化的，所以我们选用的比较指标是开关过程的功率损耗。

下图3所示为SiCMOSFET每路工作在50A 时的a)开通波形b)关断波形。

从开通波形上可以看到两路 MOSFET的开通电流存在较大差异，首先两路 di/dt 不同，左路快于右路其次峰值电流(1peak)也是左路大于右路，高了近30A。从关断波形上可以看到两路 MOSFET的关断电流同样存在较大差异，首先关断前的电流(可以看成静态电流)有差异，其次与开通相似，两路电流下降的di/dt 不同，左路快于右路。

为了与 SiC MOSFET的测试结果进行比较，本次研究还测试了Si IGBT并联时的波形，如下图4所示为Si IGBT每路工作在40A时的a)开通波形b)关断波形。

从上图4可以看到，IGBT的开通存在较明显不均流，右路的di/dt 大于左路，右路峰值电流比左路高了10A(SiC MOSFET两路Ipeak差了30A)。IGBT 关断则没有非常明显的不均流现象，只在拖尾电流部分存在少量的电流差异。因此从波形上看，不论是开通还是关断Si IGBT均流都好于SiC MOSFET。

值得一提的是，在开关过程中，SiC MOSFET和Si IGBT的开关速度(di/dt)不同。SiC MOSEET有一路在开通过程电流的 di/dt达到了 20A/ns,而 Si IGBT开通时电流 di/dt最高的一路只有5A/ns,比MOSFET低了不少。关断过程中，由于IGBT存在拖尾电流，完全关断的时间(150ns)比SiC MOSFET(15ns)长了很多。开通关断两方面都说明SiCMOSFET的开关速度比Si IGBT快，速度优势明显。

下面从损耗的角度来比较 SiC MOSFET和Si IGBT的均流情况。方法是将每一时刻的电流乘以电压就得到瞬时的功率，再进行积分就得到单次开关的损耗。计算出开通和关断过程中两路 SiC MOSFET 的损耗差异，如下图3所示。

可以看到 SiC MOSFET的开关损耗差异比较明显，不同工作电流时，开通损耗差异在25%-29%之间，关断损耗差异在 20%-33%之间。这与用同样测试方法同样条件,测试的 Si IGBT(开通12%以下,关断 19%以下)相比，两路的损耗差异大了不少。

从上面所述的两路 MOSFET的静态电流差异和开关损耗差异，可以看到SiC MOSFET存在较明显的并联不均流问题，造成这一现象的原因我们认为主要有两方面，其一是器件离散度较大。本次研究随机抽取了两块芯片进行测试，在电路设计基本一致的情况下，从测试结果来看，两块芯片在静态电流和动态损耗两方面都存在明显差异。其二是 SiC MOSFET的开关速度太快(di/dt最大达到了20A/ns)。开关速度太快导致芯片的不一致性乃至电路的细微差别被放大，测试观察到的不均流现象加重。

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4 总结

碳化硅(SiC)材料是一种新型宽禁带半导体材料。本次研究搭建了一个可以进行两路并联测试和适合直接测试裸片的双脉冲测试平台。并且通过此平台观察了SiC MOSFET分别在静态和动态情况下的均流情况，发现静态和动态SiC MOSFET并联不均流现象都较为明显。本文认为静态不均流主要是由于SiC MOSFET器件离散度较大;而动态不均流，一方面同样是由于器件离散度较大，另一方面，开关速度较快也是造成动态不均流现象的重要因素。当然需要指出的是,本次研究只是基于随机选取的一对 SiC MOSFET和一对 Si IGBT芯片进行测试，这样得到的结果可能带有随机性，不一定具备代表性。后期应该要开展更多样品的可靠的动静态实验。