往期精选：【CPSS TPEA·热点论文】湖南大学罗安院士——用于中压变换器的高频电流馈电隔离辅助电源
为满足广大会员的需求，特开通“CPSS电力电子技术与应用英文学报”微信公众号，本账号将免费分享更多精彩内容，欢迎大家订阅！
点击上方名片即可关注！
Dynamic Current Balancing for Paralleled SiC MOSFETs With Circuit Mismatches Considering Circulating Current in Drive Circuit
作者：
Yang HE, Junming ZHANG, and Shuai SHAO（Zhejiang University）
DOI: 10.24295/CPSSTPEA. 2024.00004
引用信息：
Y. He, J. Zhang and S. Shao, "Dynamic Current Balancing for Paralleled SiC MOSFETs With Circuit Mismatches Considering Circulating Current in Drive Circuit," in CPSS Transactions on Power Electronics and Applications, vol. 9, no. 2, pp. 219-229, Jun. 2024.
编委推荐语：
The paper has proposed an improved drive circuit for paralleled SiC MOSFET to suppress circulating current caused by circuit mismatches, which is beneficial for dynamic current balancing. It is an interesting and practical topic. The work shows perfect novelty and technical advantages, with analysis and experimental verification in detail.
研究背景
由于单个SiC MOSFET芯片的额定电流有限，在大功率应用场景中，将其并联运行对于提高电力电子系统的容量十分必要。然而，并联SiC MOSFET时因器件参数不匹配或电路布局不合理，会导致系统电流不平衡，继而导致结温分布不均，影响系统整体的可靠性。电路中影响电流分流的因素可概括为器件参数公差和电路寄生失配，多数研究通过优化以上2个问题使电路中的电流达到平衡，其中，结合器件筛选和对称布局设计是改善电流分流的一种实用方法。
重点内容
由于布局限制，并联SiC MOSFET的寄生电感在多芯片功率模块或功率变换器中通常不能匹配，即使功率器件相同，功率源电感的变化也会引起显著的动态电流不平衡。图1为2个SiC MOSFET并联的双脉冲实验电路。由于LS1和LS2之间的差异，Q1和Q2的源端电压电位有所不同，因此，栅极驱动电路中会产生环流icir，其会影响栅源电压和相关的动态电流的分流。
图1 并联设备的双脉冲测试电路图。(a)电源电路。(b)驱动电路。
图2为图1(b)的等效电路，开通和关断驱动电流的路径分别由红色线和蓝色线区分。
图2 驱动电路的等效电路。(a)完整电路。(b)简化的开通电路。
2.1 附加阻抗的影响
由于图1(b)所示电路中的缓冲级及其去耦电容，电源通路中插入的附加阻抗Rc不会影响开关暂态的上升/下降时间。开通暂态的简化驱动电路如图3所示，通常用Totem-Pole（图腾柱结构）表示缓冲区。图中，循环电流及其影响用蓝色突出显示，绿色表示Totem-Pole输入电压的KVL回路，红色表示SiC MOSFET在开通瞬态的驱动回路。缓冲区的输出电压跟随Totem-Pole的输入电压，表明在输出端存在由附加阻抗引起的耦合噪声。因此，2个并联器件的栅极电压也受源电压差的影响。图3所示电路中即使添加Rc也不能抑制电流不平衡。图2将Totem-Pole视为完全开启的开关，因此在上节分析中忽略了附加阻抗Rc引起的耦合噪声的影响。
图3 开通暂态的瞬时噪声电路
2.2 带闭锁单元的驱动电路
驱动电路中的附加阻抗虽然可以抑制循环电流，但会因耦合噪声导致栅极驱动信号失真。为消除噪声的影响，提出一种栅极驱动结构如图4所示。在驱动电流缓冲区之前插入额外的闭锁单元，闭锁单元的主要作用是同时将驱动信号传输至每个器件的浮动栅-源电容，并阻断源-源电压。只要两个闭锁单元的延迟相匹配，驱动电路就可以缓解因源电感不匹配造成的动态电流失衡。
图4 带闭锁单元的驱动电路
2.3 电路实施
闭锁单元的功能可以通过多种电路实现，如隔离器或电平转换器。然而，市场上还没有适合这一应用的集成电路。为了使用独立晶体管实现简单的电路结构，本文将互补的MOSFET和附加阻抗组合构成闭锁单元电路，如图5所示。带有附加闭锁单元的驱动电路的基本工作原理与图3所示电路类似。由于使用了限流电阻，元件的功率损耗很低，几乎不会限制开关频率。
图5 带闭锁单元电路的实现
3.1 电路仿真
用于仿真的电路如图6所示，所提驱动方法的仿真结果与不带闭锁单元和附件阻抗的传统驱动电路仿真结果如图7所示。对于传统驱动电路，栅极-源极电压会受到通过驱动电路的环流影响，从而导致动态电流不平衡。对于所提驱动方法，由于环流收到附件阻抗的限制，栅极-源极的电压差非常小，动态电流不平衡的效果可忽略不计。
图6 仿真等效电路
图7 传统驱动电路与所提驱动电路的仿真结果。(a)传统驱动电路的开通瞬态。(b) 传统驱动电路的关断瞬态。(c) 所提驱动电路的开通瞬态。(d)所提驱动电路的关断瞬态。
3.2 实验结果
构建DPT实验平台，在2种不同条件下测试了电流的共享性能，以比较栅极驱动器的效果，实验结果如图8和图9所示。图8中，Rc=0，栅极驱动电路等同于常规驱动电路；图9中，Rc的阻值变大，开启瞬态的动态电流平衡效应显著，验证了所提栅极驱动方法的有效性。关断瞬态前的初始电流取决于静态电流分流，同时关断瞬间的电流回转率相对较大，因此，关断瞬态期间的电流平衡效应不太明显。
图8 Rc=0 Ω时开通和关断瞬态的测试结果
图9 Rc=24 Ω时开通和关断瞬态的测试结果
期刊优势
高学术水平编委会-为期刊收录最具学术价值研究和最新科研成果保驾护航。
覆盖面最广的读者群-期刊所录用论文均以开放获取的形式收录于IEEE Xplore，并被美国《工程索引》(Ei) 数据库检索。中国电源学会联合IEEE电力电子学会定期对已发表的论文进行推广宣传，提高论文曝光度。
开放获取基金-中国电源学会设立开放获取基金，帮助论文获得更多、更广泛的读者。
快速的评审时间，严格的评审标准-45天评审时间，提供作者最快速的录用意见。
易于操作的投稿系统- ScholarOne投稿系统便于作者查询、跟踪稿件处理状态。
欢迎国内外电力电子及相关领域的专家、学者、技术人员踊跃投稿。
网站：tpea.cpss.org.cn
投稿网址：
https://mc03.manuscriptcentral.com/tpea-cpss
IEEE Xplore 主页：
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=7873541
CPSS TPEA 编辑部
Email: tpea@cpss.org.cn
电话: +86-22-87574852
传真: +86-22-27687886
网站: tpea.cpss.org.cn
