作者：Lizhong Zhou，东芝业务发展经理
在高压大功率系统中，微小的不稳定因素也可能引发重大的性能问题
图1：稳定性与电流关系（低电流条件 (Vds=200V)；高电流条件 (Vds=200V)）
从事碳化硅（SiC）MOSFET工作的工程师对此深有体会：当并联器件开始出现意外振荡时，最初示波器轨迹上微小的波形不规则，很快就会暴露出高速开关环境中更深层的设计敏感性。
并联SiC MOSFET越来越多地用于电动汽车、可再生能源系统和工业电机驱动等高压大功率应用。虽然并联配置能够承载大电流负载，但也带来了与稳定性相关的挑战，特别是振荡行为。
研究焦点：稳定性优化
本文概述了抑制并联SiC MOSFET中振荡现象的策略。器件参数的差异，如阈值电压（Vth）或导通电阻（Ron），以及寄生电感的差异，都可能诱发振荡。
为应对这些挑战，我们通过考察并联配置在不同电压、电流和栅极电阻下的开关特性，研究了抑制技术。此外，还开发了一个仿真模型来准确预测振荡行为。本文分析了能有效最小化振荡的设计参数，并讨论了与系统性能之间的权衡。
高速SiC MOSFET开关中的振荡挑战
高速运行对于SiC MOSFET最小化开关损耗至关重要。并联器件之间即使微小的时序差异也可能产生意外振荡，将一个稳定的电路变成一个测试难题。增加栅极电阻可以抑制这些振荡，但这也会导致更高的损耗，这凸显了精确定位触发不稳定的确切条件并相应调整参数的重要性。
在并联SiC MOSFET电路中，测量了开关过程中不同电压、电流和栅极电阻下的振荡，同时评估了电感不平衡和器件特性变化的影响。这些测量揭示了微小的不匹配如何导致明显的不稳定性。
该方法通过系统地改变开关过程中的电压、电流和栅极电阻来研究振荡。虽然较高的栅极电阻可以减少振荡，但它会增加开关损耗，因此需要仔细优化。本研究发现，寄生电感和器件参数（如阈值电压和导通电阻）的不匹配可能导致电流分配不均和局部振荡，特别是在高速开关期间。结果强调了选择合适的栅极电阻、最小化布局引入的寄生电感以及匹配器件特性以抑制振荡，同时提高高压大功率应用可靠性的关键作用。
主要发现：电气和器件参数如何影响振荡行为
通过观察电流、电压、器件不匹配、栅极电阻和跨导（gm）如何影响行为，可以全面了解并联SiC MOSFET中驱动不稳定性的机制。
振荡对电流的依赖性
电路的稳定性随着电流的增加而降低（见图1）。在低电流下，并联SiC MOSFET表现出最小的振荡，开关平滑。随着电流升高，由于寄生电感和器件不匹配的影响被放大，振荡加剧，导致电流分配不均和局部电压尖峰。超过某个阈值后，这些振荡变得频繁而剧烈，构成可靠性风险。监控电流水平并优化布局和元件选择对于最小化不稳定性至关重要。在低电流下，系统保持稳定，仅有微小振荡。在高电流下，波动变得更大、更频繁，这强调了在重载下匹配器件参数和减少寄生元件以实现可靠运行的必要性。
振荡对电压的依赖性
电路的稳定性随着工作电压的增加而下降（见图2）。在较低电压下，波形平滑稳定，但较高的电压——尤其是在开关过程中——会引起明显的波动和瞬态尖峰。当电压超过临界阈值时，振荡变得更加明显。
不稳定性表现为并联SiC MOSFET间的瞬态电压峰值和电流分配不均，放大了寄生元件的影响。低电压条件产生微小振荡，而较高电压导致振荡幅度和频率增加，表明负载电压与不稳定性之间存在密切联系。
这种加剧会扭曲波形，并引发对器件应力和长期可靠性的担忧。这些结果强调了设计优化的必要性，例如调整栅极参数和布局，以有效管理振荡并确保高压电源系统的稳定性。
图2：稳定性与电压关系（高电压条件 (Vds=300V)）
对器件参数的依赖性
对并联SiC MOSFET电路的评估表明，关键器件参数（包括阈值电压Vth和导通电阻Ron）的变化显著影响振荡。匹配良好的器件能够实现均匀的电流分配和稳定的开关。相反，Vth和Ron的差异增大会导致电流分配不均，引起更频繁和更严重的电压、电流尖峰，特别是在电流较高、寄生效应增强的情况下。这些发现强调了选择特性相似的器件、精心设计以最小化参数变化、抑制振荡并确保高压大功率SiC MOSFET可靠运行的重要性（见图3）。
图3：振荡与器件变化关系（器件特性变化小；器件特性变化大）
对外部栅极电阻的依赖性
栅极电阻(Rgex)影响振荡，如图4所示。当外部Rgex为8.2Ω时，发生振荡；将Rgex减小到2.7Ω抑制了这些振荡，但增加了振铃。这个结果展示了两个设计目标之间的权衡：
• 振荡抑制：降低并联MOSFET之间的共享电阻(Rgex)会衰减环路1（图5）中的信号，将其部分引导至地，从而抑制振荡。如果Rgex过高，衰减不足，振荡更易发生。
• 振铃最小化：较大的Rgex可以抑制环路2中的振荡，有助于最小化振铃。
优化外部栅极电阻对于平衡开关稳定性和信号完整性至关重要。选择的Rgex必须根据应用和布局条件，同时考虑振荡抑制和振铃最小化。
图4：栅极电阻的影响（大栅极电阻 (Rg=8.2Ω)；小栅极电阻 (Rg=2.7Ω)）
图5：电流环路（并联MOSFET中的振荡示意图）
大跨导的影响
大的跨导(gm)即使在较低电流下也容易诱发振荡。具有较高gm的电路表现出明显的振荡行为。增加的gm提高了对寄生效应和器件不匹配的敏感度，使得振荡更易发生，包括更陡峭的波形转换和振铃，如图6所示。相比之下，具有小gm的电路显示出更平滑的开关、最小的振荡和更低的瞬态幅度。降低gm可以抑制寄生影响和器件不匹配，从而实现更可靠的操作和更低的器件应力。总的来说，gm在振荡趋势中起着关键作用，强调了在并联SiC MOSFET应用中进行仔细优化的必要性。
小的gm产生渐进的开关转换并抑制振荡，有助于稳定性。较大的gm导致快速转换并加剧振荡行为——即使在较低电流下也是如此。
图6：gm对振铃的影响（小gm；大gm）
仿真分析
通过SPICE仿真和实验测量，研究了并联SiC MOSFET中的振荡行为。结果与实验数据高度吻合，验证了该模型对于高性能电源系统的准确性。
为了研究触发振荡的条件，对关键参数如gm和Rgex进行了变化。图7总结的发现揭示了：
• 实验结果：低gm和低Rgex的组合有效抑制振荡，而高gm和高Rgex的组合则促进强烈振荡，特别是当存在器件变化时。
• 仿真分类：SPICE分析将行为分为三个区域——稳定（绿色）、暂时不稳定（黄色）和持续不稳定（红色）。
这种分类定义了稳定与不稳定运行之间的明确界限。仿真与实验结果的高度一致性证明了SPICE建模在预测和缓解并联SiC MOSFET系统振荡问题方面的有效性。
图7：测量与仿真对比（实验中观察到的振荡；通过仿真明确的振荡参数）
建议：减少振荡的设计指南
基于这些发现，可以采取几种实用策略来帮助在并联SiC MOSFET中保持高速性能的同时最小化振荡：
• 优化gm：降低gm有助于降低振荡敏感性。
• 谨慎调整Rgex：虽然减小Rgex可以抑制振荡，但可能会增加振铃，因此需要采取平衡的方法。
• 确保参数匹配：对齐器件之间的特性，包括Vth和Ron，对于最小化不稳定性至关重要。
• 考虑高压和大电流效应：由于更高的电压和电流会加剧振荡，因此仔细考虑电路设计至关重要。
实际应用：在商用SiC功率模块中的实现
东芝已利用这些技术及其他技术来推进并联SiC器件技术，从而改进功率模块、减少寄生振荡并提高能效。实际案例包括：
• 寄生振荡抑制：优化SiC模块中的Lg/Ls比率以降低栅极电阻，实现高速开关并降低可再生能源、铁路和工业变换器的功率损耗。
• 高压大功率模块优化：解决3.3kV/800A SiC模块中的互感和杂散电感以及热疲劳问题——这对高压工业应用至关重要。
• 树脂绝缘模块：采用分布式芯片布局和基于AI的设计，将功率密度提高，并将热阻降低21%，从而实现了可再生能源、铁路和自动化领域的进一步小型化。
总体见解与工程启示
通过实验测量和仿真建模，本文提出了抑制振荡的策略和解决方案，以优化基于SiC MOSFET的电源系统在并联应用中的使用。这些策略包括调整栅极电阻值、减少杂散电感以及确保器件特性的一致性。研究结果为寻求提高高压大功率SiC MOSFET应用性能和可靠性，同时解决相关振荡问题的工程师提供了指导。
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