级联MOSFET均压测试方法研究
2024-01-19付明王子才张华张东来
付明,王子才,张华,张东来
(1.哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150001; 2.深圳航天科技创新研究院,广东 深圳 518057; 3.哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院,广东 深圳 518055)
0 引 言
级联MOSFET经常应用在高压半导体开关中,采用均压措施的级联MOSFET能实现高压、大电流的开关切换[1-5]。均压驱动控制方法是级联MOSFET研究领域中的一项关键技术,开关动态均压测试是评判级联MOSFET均压效果最直接的措施[6],因此均压测试方法的精度及可信度对均压驱动控制方法研究以及高压开关产品检验具有决定性的意义[7-10]。
采用隔离度高、静态电流小、寄生电容小的高压探头可显著提升均压测试效果,但该测试方法过于昂贵,且不当的测试方法同样也会引入干扰和误差[11]。文章通过对比常规均压测试方法带来的问题,给出了一种新的级联MOSFET均压测试方法,并实验验证了该测试方法中高压探头寄生参数对级联MOSFET均压效果的影响。
1 级联MOSFET型高压开关
图1(a)所示为一种级联MOSFET配置方式,其采用3个MOSFET并联构成1组用来扩展电流能力,3组串联用来扩展耐压能力。均压隔离驱动电路通过对串并联MOSFET的门极进行控制,确保所有的MOSFET同时开通和关断,从而达到并联均流和串联均压的目的。
SiC基MOSFET具备高压大电流的特点,对该型MOSFET的串并联研究非常广泛[12-13]。图1(b)为已验证均压效果良好的级联MOSFET型高压开关,其采用厚膜工艺将图1(a)所示的3串3并MOSFET裸芯片(选用CREE公司的SiC基MOSFET裸芯片,型号为CPM2-1200-0025B)集成在了一个厚膜陶瓷板上,该封装有利于串联均压和并联均流,并能显著减小高压开关体积。该高压开关器件最大开关电压3 600 V,通流能力50 A。下文将以该级联MOSFET组成的高压开关验证所提出的均压测试方法。
图1 级联MOSFET高压开关
2 传统均压测试方法
将图1(b)所示级联MOSFET的高压开关放置在高边,对每一组串联MOSFET的DS电压进行测试,通过判断DS电压波形的畸变来评估均压测试方法对均压效果的影响。
2.1 直接均压测试方法
常规均压测试方法是采用高压隔离探头直接测试每一组MOSFET在开关瞬间的DS电压波形,通过判断瞬态DS电压波形的一致性来看均压效果。图2为使用3个高压隔离探头直接测试均压效果的示意图。电源电压VDC=1000 V,负载为纯阻性RL=410 Ω,高压开关切换控制信号为0.5 Hz的方波。
图2 高压隔离探头直接测试均压效果的示意图
图2中3个高压隔离探头分别对3排MOSFET的D、S端电压进行测试,通道CH4测试Q1(代表第一排MOSFET)的DS电压波形,CH3、CH2分别测试第二排Q2、第三排Q3的DS电压波形。图3为直接均压测试波形,结果表明均压一致性很差,因均压措施经校验是符合要求的,所以判断该直接测试方法中,隔离探头的寄生参数影响了级联MOSFET的均压效果。
2.2 隔离探头寄生电容对测试误差的分析
为评估隔离探头寄生参数对均压效果的影响,如图4所示,通过改变Q3的D、S端测试探头的数量,验证探头寄生参数对Q3的VDS测试影响。
图3 直接测试均压效果的示意图
图4 研究隔离探头数量对Q3的均压效果测试示意图
图5～图7分别为一个、两个、三个隔离探头测试Q3的VDS波形。测试结果表明,相同型号隔离探头数量越多,Q3的VDS在关断瞬间峰值电压越高,与关断后的稳态值偏差越大,从而导致均压效果变差。这说明测试引入的寄生参数越大,对被测对象的均压效果影响越大。
图5 一个隔离探头测试Q3的VDS波形
图6 两个隔离探头测试Q3的VDS波形
图7 三个隔离探头测试Q3的VDS波形
3 减法均压测试方法
基于上一节测试结果表明隔离探头寄生参数对级联MOSFET的均压效果有明显的干扰作用,本节将主要从减小寄生参数干扰的方面提出一种改进型均压测试方法,即减法均压测试方法。
3.1 提出的减法均压测试方法
改变隔离探头的接法,将所有探头的地同时接Q3的S极,探头的正端分别接Q1、Q2、Q3的D极,再通过示波器减法计算出Q1和Q2的VDS波形。图8为提出的减法均压测试方法示意图。
图8 减法均压测试方法示意图
图9为减法均压测试方法的测试电压波形,三个电压波形在关断时的稳态电压值成线性比例。图10为减法运算后的3个VDS波形,其中运算1(CH4-CH3)为图8中Q1的D端对地电压波形减去Q2的D端对地电压波形得到Q1的VDS波形,运算2(CH3-CH2)为减法得到Q2的VDS波形。从图10的电压波形减法结果可知,均压测试一致性要比图3所示的直接均压测试电压波形精度要高,但均压测试偏差仍超过了平均值的26%,提示测试方法有待进一步改进。
3.2 改进后的减法均压测试方法
为减小探头寄生参数对减法均压测试的进一步影响,图11所示为改进后的减法测试方法,将负载包含在均压隔离探头的测试跨度范围内,采用4个探头进行测试：CH1接Q3的S极,CH2接Q3的D极,CH3接Q2的D极,CH4接Q1的D极,所有探头的地直接与测试电源的地相连。
图9 减法均压测试方法的测试电压波形
图10 减法运算后的3个VDS波形
图11 改进后的减法均压测试方法示意图
设置VDC电压为3 000 V,负载电阻RL为6 kΩ。图12为3组MOSFET均压测试的VDS波形及关断瞬间的展开图。
图12 均压测试的VDS波形及关断瞬间展开图(条件1)
图13为Q1(CH4-CH3)和Q2(CH3-CH2)关断瞬间的VDS波形,图14为Q1(CH4-CH3)和Q3(CH3-CH2)关断瞬间VDS波形,通过这两个图可判断3组MOSFET在关断瞬间的VDS波形基本重合,即表明关断瞬间均压效果良好。
图13 减法得到关断瞬间Q1和Q2的VDS波形(条件1)
图14 减法得到关断瞬间Q1和Q3的VDS波形(条件1)
图15为3组MOSFET均压测试的VDS波形及开通瞬间展开图。图16为Q1(CH4-CH3)和Q2(CH3-CH2)开通瞬间的VDS波形,图17为Q1(CH4-CH3)和Q3(CH3-CH2)开通瞬间的VDS波形,通过这两个图可判断3组MOSFET在开通瞬间的VDS波形也基本重合。
图15 均压测试的VDS波形及开通瞬间展开图(条件1)
图16 减法得到开通瞬间Q1和Q2的VDS波形(条件1)
图17 减法得到开通瞬间Q1和Q3的VDS波形(条件1)
对比以上几组测试波形,可判断改进后的减法均压测试电路,无论是在稳态还是在开通、关断瞬态,对级联MOSFET的均压特性影响均较小。开通、关断瞬间的均压效果与高压开关特性基本一致,证明该减法均压测试方法能够真实有效评测级联MOSFET均压效果。
4 实验结果与分析
评估测试线缆的寄生参数对图11改进后减法均压测试方法的影响,图18在测试回路中串联一个电感模拟线缆的寄生参数。通过测试开关瞬间的均压效果来评估改进后减法均压测试方法对线缆寄生参数的适应性。
图18 评估测试电缆对改进后减法测试方法的影响
设置VDC电压为1 500 V,负载电阻RL为6 kΩ,L按照测试线缆最大寄生电感量2.3 μH设置。图19为3组MOSFET均压测试的VDS波形及关断瞬间展开波形图。
图19 均压测试的VDS波形及关断瞬间展开图(条件2)
图20为Q1(CH4-CH3)和Q2(CH3-CH2)关断瞬间的VDS波形,图21为Q1(CH4-CH3)和Q3(CH3-CH2)关断瞬间的VDS波形,通过这两个图可判断,增加电感后,3组MOSFET在关断瞬间的VDS波形相比不考虑测试电缆的纯电阻负载方式偏差增大,但仍在误差容许范围内。
图20 减法得到关断瞬间Q1和Q2的VDS波形(条件2)
图22为3组MOSFET均压测试的VDS波形及开通瞬间展开图。图23为Q1(CH4-CH3)和Q2(CH3-CH2)开通瞬间的VDS波形,图24为Q1(CH4-CH3)和Q3(CH3-CH2)开通瞬间的VDS波形,通过这两个图可判断3组MOSFET在开通瞬间的VDS波形基本重合。
图21 减法得到关断瞬间Q1和Q3的VDS波形(条件2)
图22 均压测试的VDS波形及开通瞬间展开图(条件2)
通过上面的测试数据可知,改进后的减法测试方式即使在考虑测试线缆寄生参数的情况下,依然能够很好地评估级联MOSFET的均压测试效果。
图23 减法得到开通瞬间Q1和Q2的VDS波形(条件2)
图24 减法得到开通瞬间Q1和Q3的VDS波形(条件2)
5 结束语
提出了一种减法均压测试方法,解决了传统均压测试方式中,隔离高压探头寄生参数对级联MOSFET均压效果的影响。实验验证该测试方式能精确评估级联MOSFET的均压效果,且不受测试探头及测试线缆寄生参数的影响。
