CN107453740A - 一种改善功率半导体器件并联电流分布的电路 - Google Patents

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CN107453740A CN201710914664.2A CN201710914664A CN107453740A CN 107453740 A CN107453740 A CN 107453740A CN 201710914664 A CN201710914664 A CN 201710914664A CN 107453740 A CN107453740 A CN 107453740A
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Abstract

本发明公开了一种改善功率半导体器件并联电流分布的电路，该电路是在传统的功率半导体器件并联电路的基础上进行改进的。具体在每个功率半导体器件源极侧添加反向耦合且电感值相同的电感。当并联功率半导体器件开通时两个反向耦合的电感会感应出方向相反大小近似相同的电压降并反馈到驱动单元，降低开关速度较快的功率半导体器件的速度，加快开关速度较慢的功率半导体器件的速度；另外，还在每个功率半导体器件的源极和驱动单元负极之间***一个阻值相同的电阻，避免电压降在源极引线上产生过高的瞬态补偿电流。因此，本发明提供的电路，能够有效降低并联的功率半导体器件之间瞬态电流分布不均衡度，避免功率半导体器件因承受较大电流而直接损坏。

Description

一种改善功率半导体器件并联电流分布的电路
技术领域
本发明涉及功率半导体并联领域，特别是涉及一种改善功率半导体器件并联电流分布的电路。
背景技术
在大功率电力电子应用场合，通过并联方式实现功率需求的主要原因有三个。第一，电流等级的限制，功率半导体器件(包括金属-氧化物半导体场效应晶体管(以下简称MOSFET)、IGBT等)自身电流等级无法满足***开发者的需求，而在更高电流等级器件产品还未推出的特殊时期内，并联方式是解决这一需求的主要途径。第二，经济成本约束，即使更大电流的器件开始进入市场，但其成本和价格往往比较高，因此采用中小功率等级的器件并联是较为经济的做法。第三，可靠性要求，纵观功率半导体器件的发展历史，人们总是最先掌握较低电流等级的器件技术，在大电流等级器件可靠性还未得到充分论证的情况下，下游应用则优先应用成本较低且可靠性较高的低电流等级器件并联方式来实现功率需求、性能要求以及成本控制。因此，功率半导体器件并联是特殊时期内需求、技术以及成本之间博弈所产生的最优选择。
目前，由于功率半导体器件材料的制造工艺不够成熟，使得功率半导体器件参数分散性的问题很难在短时间内得到较好的解决，且功率半导体器件的参数差异不可能完全一致，导致功率半导体器件在并联连接方式下可能出现开关不同步，并联功率半导体器件之间电流分布不均衡的问题，严重情况下会直接导致功率半导体器件因承受较大电流而直接损坏。因此，如何降低并联功率半导体器件之间瞬态电流分布不均衡度，是功率半导体并联领域急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善功率半导体器件并联电流分布的电路，能够有效降低并联的功率半导体器件之间瞬态电流分布不均衡度，避免功率半导体器件因承受较大电流而直接损坏。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种改善功率半导体器件并联电流分布的电路，所述电路与外接电路连接；所述电路包括：驱动单元、第一功率半导体器件、与所述第一功率半导体器件并联的第二功率半导体器件、耦合单元、第一电阻以及第二电阻；所述耦合单元为反向耦合的第一电感和第二电感；
所述驱动单元的正极分别与所述第一功率半导体器件的栅极、所述第二功率半导体器件的栅极连接；
所述耦合单元中相互连接的一对异名端与所述外接电路的负极连接；所述耦合单元中未相互连接的一对异名端分别与所述第一功率半导体器件的源极、所述第二功率半导体器件的源极连接；
所述外接电路的正极分别与所述第一功率半导体器件的漏极、所述第二功率半导体器件的漏极连接；
所述第一功率半导体器件的源极与所述第一电阻的一端连接；所述第二功率半导体器件的源极与所述第二电阻的一端连接；所述驱动单元的负极分别与所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的另一端连接。
可选的，所述耦合单元的耦合系数M的范围为0.98<M<1。
可选的，所述第一电感与所述第二电感的电感值相等；所述第一电感的电感值为10～50nH。
可选的，所述第一电感与所述第二电感通过铁芯相互磁耦合。
可选的，所述第一电阻与所述第二电阻的阻值相等；所述第一电阻的阻值为1～10Ω。
可选的，所述驱动单元，包括驱动信号发生器、直流电源和驱动芯片，用于输出所述驱动电压，使所述驱动电压能够驱动所述第一功率半导体器件、所述第二功率半导体器件导通。
可选的，所述第一功率半导体器件、所述第二功率半导体器件均为压控型功率半导体器件。
可选的，所述压控型功率半导体器件为碳化硅MOSFET器件。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种改善功率半导体器件并联电流分布的电路，该电路是在传统的功率半导体器件并联电路的基础上进行改进的。其中，该电路包括在并联功率半导体器件源极侧均添加反向耦合且电感值相同的电感，在并联功率半导体器件源极和驱动单元负极之间均添加阻值相同的电阻。当并联功率半导体器件开通时两个反向耦合的电感上会感应出方向相反大小几乎相同的电压降，相反的电压降会反馈到驱动单元，对并联功率半导体器件的栅源极电压形成一个负反馈的作用，使得开关速度较快的功率半导体器件开关速度变慢，同时，加快开关速度较慢的功率半导体器件；同时在每个功率半导体器件驱动的源极侧***一个电阻，避免电压降在源极引线上产生过高的瞬态补偿电流。因此，本发明提供的电路，能够有效降低并联的功率半导体器件之间瞬态电流分布不均衡度，避免功率半导体器件因承受较大电流而直接损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例改善功率半导体器件并联电流分布的电路的结构示意图；
图2为本发明实施例两个碳化硅MOSFET器件并联电流分布特性测试电路的结构示意图。
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。
与现有技术相比，目前主要是通过有源延时补偿法来实现并联功率半导体器件之间瞬态电流均衡。有源延时补偿法，通过PCB型罗氏线圈、电流互感器等测量手段直接获取电流差异或者通过杂散电感的压降间接提取出电流不均衡信息，并反馈到FPGA或者DSP中来调节栅极驱动信号，但是实现电流均衡可能需要几个周期，且控制算法较为复杂，而且成本较高。也有无源控制方法来实现并联功率半导体器件之间瞬态电流均衡，具体为通过采用电感或电阻等无源元件来实现电流的均衡，不需要电压电流传感器和反馈回路的情况下，一个开关周期内就可以限制电流的不匹配。目前无源控制方法主要是采用在并联器件源极侧分别串联大小相等的较大电感进而大幅度地降低电流不均衡度，但是采用较大的电感存在功率半导体器件开通/关断时间长，开关损耗大等缺陷。
因此，本发明的目的是提供一种改善功率半导体器件并联电流分布的电路，能够通过无源控制方法，采用较小的电感，就能有效降低并联的功率半导体器件之间瞬态电流分布不均衡度，避免功率半导体器件因承受较大电流而直接损坏，且降低了功率半导体器件开通/关断时间，减少了开关损耗。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例改善功率半导体器件并联电流分布的电路的结构示意图。本发明提供的电路与外接电路连接；如图1所示，所述电路包括：驱动单元1、第一功率半导体器件2、与所述第一功率半导体器件并联的第二功率半导体器件3、耦合单元4、第一电阻5以及第二电阻6；所述耦合单元4为反向耦合的第一电感41和第二电感42。
所述驱动单元1的正极分别与所述第一功率半导体器件2的栅极21、所述第二功率半导体器件3的栅极31连接。
所述耦合单元4中相互连接的一对异名端与所述外接电路的负极连接；所述耦合单元4中未相互连接的一对异名端分别与所述第一功率半导体器件2的源极22、所述第二功率半导体器件3的源极32连接。
所述外接电路的正极分别与所述第一功率半导体器件2的漏极23、所述第二功率半导体器件3的漏极33连接。
所述第一功率半导体器件2的源极22与所述第一电阻5的一端连接；所述第二功率半导体器件3的源极32与所述第二电阻6的一端连接；所述驱动单元1的负极分别与所述第一电阻5的另一端、所述第二电阻6的另一端连接。
所述耦合单元4的耦合系数M的范围为0.98<M<1。
所述第一电感41与所述第二电感42的电感值相等；所述第一电感41的电感值为10～50nH，即所述第二电感42的电感值为10～50nH。
所述第一电感41与所述第二电感42通过铁芯相互磁耦合的。
所述第一电阻5与所述第二电阻6的阻值相等；所述第一电阻5的阻值为1～10Ω，即所述第二电阻6的阻值为1～10Ω。
所述驱动单元1，包括驱动信号发生器、直流电源和驱动芯片，用于输出所述驱动电压，使所述驱动电压能够驱动所述第一功率半导体器件2、所述第二功率半导体器件3导通。
优先的，本发明实施例中的所述第一功率半导体器件2、所述第二功率半导体器件3均为压控型功率半导体器件。
优先的，本发明实施例中的压控型功率半导体器件为碳化硅MOSFET器件。
本发明提供的电路的工作原理为：
步骤S101：驱动单元1发出驱动电压信号，即第一功率半导体器件2、第二功率半导体器件3的开关信号。
步骤S102：当由其他因素引起第一功率半导体器件2、第二功率半导体器件3开关速度不同时，此时第一功率半导体器件2、第二功率半导体器件3的电流变化率将会存在差异。
步骤S103：不同的电流变化率将会在反向耦合第一电感41和第二电感42上分别产生不同的压降。
步骤S104：反向耦合的第一电感41和第二电感42的压降相反，反向叠加之后在第一电阻5和第二电阻6分压，形成负反馈电压信号。
步骤S105：负反馈电压信号叠加在驱动单元1中驱动电压上，进而影响第一功率半导体器件2、第二功率半导体器件3的开关速度。
步骤S106：第一功率半导体器件2、第二功率半导体器件3开关速度趋同，电流分布更加均衡。
本发明实施例中第一功率半导体器件2、第二功率半导体器件3开关速度不同时，通过第一功率半导体器件2、第二功率半导体器件3各自源极添加反向耦合的第一电感41和第二电感42，来对驱动单元中的驱动电压进行负反馈，改善均流效果。
本发明提供的电路是在传统的功率半导体器件并联电路的基础上进行改进的，主要是在第一功率半导体器件2、第二功率半导体器件3各自源极侧添加一个互为反向耦合的第一电感41和第二电感42，且第一电感41和第二电感42电感值很小，即在添加电感值很小的情况下就可以产生足够改善均流状况的负反馈电压；在第一功率半导体器件2、第二功率半导体器件3的源极和驱动单元4负极之间各自添加一个阻值相同的第一电阻5、第二电阻6，用于限制回路电流和分压；开通较快的功率半导体器件一侧源极电阻上分得负压与驱动电压相叠加，减小开通速度；开通较慢的功率半导体器件一侧源极电阻上分得正压与驱动电压相叠加，增大开关速度，即增加了电压反馈量对电流差异的敏感度，在不增加串入电感数值的情况下就可以大幅度地降低并联功率半导体器件瞬态电流不均衡度，实现更好的均流效果。
下面提供的一个优选的添加耦合电感后的两个碳化硅MOSFET器件并联均流特性测试电路来说明本发明提供的改善功率半导体器件并联电流分布的电路能够通过无源控制方法，采用较小的电感，就能有效降低并联的功率半导体器件之间瞬态电流分布不均衡度，避免功率半导体器件因承受较大电流而直接损坏。
图2为本发明实施例两个碳化硅MOSFET器件并联电流分布特性测试电路的结构示意图，如图2所示，该测试电路包括驱动单元1、第一碳化硅MOSFET器件201，与所述第一碳化硅MOSFET器件201并联的第二碳化硅MOSFET器件202，耦合单元4、第一电阻5、第二电阻6、外接电路；所述外接电路包括电感7，与所述电感7并联的续流二极管8、与所述电感7串联的直流电源9，以及与所述直流电源9并联的电容10(根据实际需求可以同时并联多个电容)。所述耦合单元4为反向耦合的第一电感41和第二电感42。
所述驱动单元1的正极分别与所述第一碳化硅MOSFET器件201的栅极21、所述第二碳化硅MOSFET器件202的栅极31连接。
所述电感7的正极分别与所述第一碳化硅MOSFET器件201的漏极23、所述第二碳化硅MOSFET器件202的漏极33连接。所述电感7的负极与所述直流电源9的正极连接。
所述耦合单元4中相互连接的一对异名端与所述直流电源9的负极连接；所述耦合单元4中未相互连接的一对异名端分别与所述第一碳化硅MOSFET器件201的源极22、所述第二碳化硅MOSFET器件202的源极32连接。
所述第一碳化硅MOSFET器件201的源极22与所述第一电阻5的一端连接；所述第二碳化硅MOSFET器件202的源极32与所述第二电阻6的一端连接；所述驱动单元1的负极分别与所述第一电阻5的另一端、所述第二电阻6的另一端连接。
其中，驱动单元1提供驱动电压给第一碳化硅MOSFET器件201，第二碳化硅MOSFET器件202，控制第一碳化硅MOSFET器件201、第二碳化硅MOSFET器件202开通和关断。
图2中的功率回路为第一碳化硅MOSFET器件201、第二碳化硅MOSFET器件202所工作的主回路。
优先的，本发明实施例选用一个大电感作为外接电路的负载，并在外接电路的两侧并联一个续流二极管8。
优先的，本发明实施例中在所述直流电源9并联的一个电容10。由于大电容的稳压作用，在通过直流电源9对电容进行了充电之后，在第一碳化硅MOSFET器件201、第二碳化硅MOSFET器件202开关暂态过程中，可将电容10看作直流电压源。
第一碳化硅MOSFET器件201、第二碳化硅MOSFET器件202通过开关来对功率回路进行控制。
为了方便说明，下面用电感LS1代替第一电感41，用电感LS2代替第二电感42；用电阻RS1代替第一电阻5，用电阻RS2代替第二电阻6。
在第一碳化硅MOSFET器件201、第二碳化硅MOSFET器件202的源极外加的反向耦合电感LS1和电感LS2用于感应电流变化，产生电压。在电感LS1、电感LS2、电阻RS1、电阻RS2构成的反馈回路中，两个反向耦合电感LS1和电感LS2产生的电压在电阻RS1和电阻RS2上分压，生成负反馈电压uR1和电压uR2。
在第一碳化硅MOSFET器件201、第二碳化硅MOSFET器件202的开通过程中，假设并联的第一碳化硅MOSFET器件201、第二碳化硅MOSFET器件202中流过的导通电流分别为i1和i2，反向耦合电感LS1和电感LS2之间的互感为M，那么有，电感LS1上感应产生压降uL1为LS1·di1/dt-M·di2/dt，电感在LS2上产生的压降uL2为LS2·di2/dt-M·di1/dt。
令LS1＝LS2＝L，且耦合系数接近1，那么互感M＝L。进而可以得到uL1＝L·(di1/dt-di2/dt)、uL2＝L·(di2/dt-di1/dt)，因为di1/dt＞di2/dt，所以有uL1＝-uL2＞0，两个电感LS1和电感LS2所感应的电压大小相等、方向相反。
由于在电感LS1、电感LS2、电阻RS1、电阻RS2形成的反馈回路中，两个电感LS1和电感LS2上的总电压uL＝uL1-uL2＝2uL1。在反馈回路中，可将电感LS1和电感LS2整体看成一个电压为uL的电压源，电阻RS1和电阻RS2作为反馈回路的外接电路分压。
令RL1＝RL2，使得电压uL在两个电阻RS1和电阻RS2上均匀分配，那么有uF1＝-uF2＝uL/2＝uL1＝L·(di1/dt-di2/dt)，此处uF1和uF2指的是电感LS1和电感LS2所感应产生的电压在电阻RS1和电阻RS2上分得的附加的反馈电压，其反馈电压方向分别与电阻RS1和电阻RS2两端真实的电压uR1和电压uR2相同。
由于在正常开关过程中驱动回路有电流流过，这个电流在电阻RS1和电阻RS2上产生电压uE1和电压uE2，方向分别与电压uR1和电压uR2相同，并且有uR1＝uE1+uF1、uR2＝uE2+uF2。可以得到第一碳化硅MOSFET器件201、第二碳化硅MOSFET器件202的栅源极电压分别为ugs1＝udr-uR1＝udr-uE1-uF1，ugs2＝udr-uR2＝udr-uE2-uF2。若未添加耦合电感LS1和电感LS2，那么uF1＝uF2＝0，有ugs1a＝udr-uE1，ugs2a＝udr-uE2，添加耦合电感LS1和电感LS2后，ugs1b＝udr-uE1-L(di1/dt-di2/dt)，ugs2b＝udr-uE2+L(di2/dt-di2/dt)。
若第一碳化硅MOSFET器件201开通更快，则di1/dt-di2/dt＞0，有ugs1b＜ugs1a、ugs2b＞ugs2a，减小了第一碳化硅MOSFET器件201的栅源极电压，增大了第二碳化硅MOSFET器件202的栅源极电压，进而减慢第一碳化硅MOSFET器件201的开通速度，加快第二碳化硅MOSFET器件202的开通速度，使得两个器件的开关速度趋于相同，改善瞬态均流特性。
本发明实施例提供的在并联碳化硅MOSFET的源极与功率回路汇集端子之间***两个耦合系数较大的反向耦合的电感线圈，能够实现在并联碳化硅MOSFET器件开通时，在反向耦合的电感线圈上会感应出方向相反大小几乎相同的电压降，相反的电压降会反馈到驱动回路，对碳化硅MOSFET器件栅源极电压形成一个负反馈的作用，使得开关速度较快的碳化硅MOSFET器件开关速度变慢，同时，加快开关速度较慢的碳化硅MOSFET器件。此外，为了避免电压降在源极引线上产生过高的瞬态补偿电流，在每个碳化硅MOSFET器件驱动的源极侧***一个电阻来限制该电流。由于该反向耦合电感的引入，使得反馈电压对电流差异的灵敏度更高，所以只需***很小的反向耦合电感值就可以显著地减小并联器件电流的不平衡，而且对器件的开关损耗和电流过冲影响很小。
因此，本发明提出的改善功率半导体器件并联电流分布的电路有利于改善并联功率半导体器件开关速度不一致所造成的瞬态电流分布不均匀问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种改善功率半导体器件并联电流分布的电路，其特征在于，所述电路与外接电路连接；所述电路包括：驱动单元、第一功率半导体器件、与所述第一功率半导体器件并联的第二功率半导体器件、耦合单元、第一电阻以及第二电阻；所述耦合单元为反向耦合的第一电感和第二电感；
所述驱动单元的正极分别与所述第一功率半导体器件的栅极、所述第二功率半导体器件的栅极连接；
所述耦合单元中相互连接的一对异名端与所述外接电路的负极连接；所述耦合单元中未相互连接的一对异名端分别与所述第一功率半导体器件的源极、所述第二功率半导体器件的源极连接；
所述外接电路的正极分别与所述第一功率半导体器件的漏极、所述第二功率半导体器件的漏极连接；
所述第一功率半导体器件的源极与所述第一电阻的一端连接；所述第二功率半导体器件的源极与所述第二电阻的一端连接；所述驱动单元的负极分别与所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述耦合单元的耦合系数M的范围为0.98<M<1。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一电感与所述第二电感的电感值相等；所述第一电感的电感值为10～50nH。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一电感与所述第二电感通过铁芯相互磁耦合。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一电阻与所述第二电阻的阻值相等；所述第一电阻的阻值为1～10Ω。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述驱动单元，包括驱动信号发生器、直流电源和驱动芯片，用于输出所述驱动电压，使所述驱动电压能够驱动所述第一功率半导体器件、所述第二功率半导体器件导通。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一功率半导体器件、所述第二功率半导体器件均为压控型功率半导体器件。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述压控型功率半导体器件为碳化硅MOSFET器件。
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