报告内容

作者与出版信息

本文的主要作者包括 Jianing Wang, Shaolin Yu, Xing Zhang, Zhaoyang Wei, Nan Jiang, Wenjie Chen 和 Enli Du，其中多位作者隶属于 Hefei University of Technology，另外一些作者来自 Guangdong Institute of Semiconductor Industrial Technology 和 Sungrow Power Supply Company Ltd. 该研究发表于《IEEE Transactions on Circuits and Systems—I: Regular Papers》，2021年5月。

研究背景

该研究属于电力电子领域，通过对硅碳化物（SiC）MOSFETs 的并联连接进行深度建模与评估，探讨了多支路电路设计中的电流不平衡问题。与传统硅（Si）IGBT相比，SiC MOSFET 具有开关速度快、功率密度高、导通电阻低等优点，因此被广泛应用于中高功率场景，例如电动汽车（EV）逆变器。然而，不对称的电路寄生参数将导致并联 SiC MOSFETs 之间电流失衡，特别是在高开关频率的应用中，这种失衡可能引发过流、热失控等问题，进而影响器件的可靠性。

尽管过去研究多次探讨过母排（busbar）寄生参数对电流平衡的影响，但对于复杂互联路径中的寄生电感和电阻如何作用于动态和静态电流的不对称性，较少有人进行深入建模和分析。在此背景下，该研究提出了一种针对层叠母排（laminated busbar）及其与并联 SiC MOSFETs 连接时有效寄生参数的精确建模方法，为进一步优化电路设计提供理论支持。

研究目标包括： 1. 准确建模层叠母排在动态和静态两个时段中的寄生参数，包括自感、互感和电阻。 2. 研究这些参数对并联 SiC MOSFETs 电流分配的影响。 3. 为母排中的复杂电感网络提出简化模型以便于工程使用。 4. 提供通过仿真和实验验证的建模框架与方法。

详细研究流程

1. 电路分析与建模框架的建立

研究结合了两个理论模型——动态时段（dynamic duration）和静态时段（static duration）的母排等效电路模型。动态时段中，电路中包含母排自感（self-inductance）、集成开关两端的互感（mutual inductance），而静态时段需要考虑母排的等效电阻以及设备的导通电阻（Rds(on)）。作者通过对动态与静态切换不同的电流路径进行建模，分别定义了两种等效参数模型：动态模型着重于高频切换时电感间的耦合效应，静态模型则强调母排和设备电阻对电流分配的影响。

研究中基于安华高 Ansys Q3D 软件的有限元方法，构建了三层母排模型，具体层次包括正极母排（p-busbar）、负极母排（n-busbar）以及交流输出母排（ac-busbar），这些母排分别连接到直流电容器、驱动电路和负载。

2. 动态寄生参数的建模

研究通过解析动态切换路径中各支路自感和互感的分布情况，建立了 24 × 24 矩阵来描述复杂网络中母排感应情况。为简化工程应用，该矩阵被转化为累计等效电感模型，并推导了动态过程中每一支路的等效感值。随后，这些感值通过 MATLAB 自动计算得出，并用作后续动态仿真的输入。

3. 静态寄生参数的建模

在静态时段中，由于开关设备处于导通状态，母排上的寄生电阻被认为是主要影响因素。研究采用 Ansys Q3D 的电阻网络建模功能，特定定义了母排自电阻和支路间互电阻的模型。此外，为了准确验证这些静态模型的有效性，作者采取了场域-电路联合仿真（field-circuit co-simulation）的方式，通过给母排施加正弦波信号，分析了不同支路的阻抗变化关系。

4. 仿真与验证

建模结果通过对比模型参数与实验数据一致性进行验证。研究搭建了一套完整的实验平台，包括 120 kW 功率环节的 SiC 动态/静态参数测试装置。通过在不同母排支路中注入电压信号并记录测试点的电流波形，最终得到了与仿真结果高度一致的动态电感与静态阻抗数据。

主要结果分析

实验与仿真表明： 1. 动态时段中，母排的寄生电感能够显著影响插入至 MOSFET 间的电流不均匀性。有效电感的建模结果及其对电流分布的影响与实验测试验证数据一致，误差小于 1.5 nH，具有高可靠性。 2. 静态时段中，寄生电阻则成为电流分布的主要影响因素。共六支路中，寄生阻值变化范围约在 1.67 mΩ - 3.25 mΩ，且阻值较小的支路呈现出更高的导通电流，符合母排电阻建模预期。 3. 场域-电路联合仿真验证了综合寄生参数模型的准确性，仿真电流分布与测试电流的平均偏差控制在 4% 以下，大幅优于单纯考虑寄生电感或寄生电阻的传统模型。

研究意义与价值

1. 科学价值：本文提出了有效寄生参数的建模方法，首次构建了动态和静态时段下的独立母排参数模型。与以往特定状态综合性建模不同，这一工作揭示了母排物理结构对电流引导特性在多个操作阶段中的动态影响，具有理论突破意义。

2. 工程价值：母排的有效等效参数模型能够直接用于功率场景的电流平衡设计，进而在器件并联应用中减轻异常发热、过流等安全挑战。

研究特点与创新之处

1. 作者开发了全新的有效动态电感与静态电阻联合建模方法，覆盖了复杂电流路径中的多分支多状态条件。
2. 仿真建模综合运用了有限元模拟、矩阵简化、场域-电路联合仿真等多学科手段，验证方式全面 且可靠。
3. 重视母排阻抗的定量影响，补充了国内外相关领域少见的实验验证数据，为电力网络工程设计提供了全新思路。

额外值得注意的内容

文中进一步分析指出，优化母排设计不仅应聚焦降低自感/电阻参数，还应考虑输出负载的分布与动态状态下的响应速度匹配问题。这些因素在高压大电流应用中的重要性尤为突出。