Si-IGBT+SiC-MOSFET并联混合驱动逆变器设计的关键要素-电子发烧友网

以下内容发表在「SysPro电力电子技术」知识星球- 关于混合SiC-Si功率半导体技术方案的解读 | 引导文- 原创文章，仅用于SysPro内部使用，非授权不得转载

- 本篇节选，完整内容在知识星球发布，欢迎学习、交流

导语：随着大功率应用场景的蓬勃发展，如太阳能逆变器、储能系统、充电桩等，对功率开关器件的性能提出了更高要求：高效、高功率密度、高可靠性。SiC MOSFET以其卓越的性能脱颖而出，但高昂的成本限制了其广泛应用。而和 IGBT则凭借其低成本和成熟工艺占据市场主导地位。为了兼顾性能与成本，Si/SiC混合开关应运而生。为了全面地、系统地了解这一技术方案，搞清楚Si/SiC混合开关在电动汽车领域的前景究竟如何？应用方案如何实现？

我们在知识星球中创建了「混碳」专栏，系统深度地探讨Si/SiC混合开关的设计背景、拓扑结构、器件特性、时序管理与控制策略，以及驱动电路与保护机制，旨在全面解析这一技术方向。

1. Si/SiC混合开关的设计背景与优势

2. Si/SiC混合开关的拓扑结构

3. Si/SiC混合开关的器件特性

4. 混合开关的时序管理与控制策略
5. 混合开关的驱动电路与保护机制(知识星球发布)

6. 总结|SysPro备注：本篇为引导文，详细解读在知识星球中发布(文末介绍)

Si/SiC混合开关的设计背景与优势

随着太阳能逆变器、储能系统、充电桩等大功率应用场景的不断发展，对开关器件的性能要求越来越高。SiC MOSFET以其高功率密度、高效率和优异的热性能脱颖而出，但其高昂的成本限制了其在大规模应用中的普及。而Si IGBT则以其低成本、大电流承载能力和成熟的制造工艺占据了市场的主导地位。

因此，将SiC MOSFET和Si IGBT并联使用，形成混合开关，既能发挥SiC MOSFET的高性能优势，又能利用Si IGBT的成本优势，实现性能与成本的完美平衡。那么，如何定制Si/SiC混并开关的拓扑，以得到最优解呢？

图片来源：Infineon

Si/SiC混合开关的拓扑结构

混合开关由Si IGBT和SiC MOSFET并联组成，通过合理的拓扑设计和驱动策略，实现两者的优势互补。因此，拓扑结构的设计定义至关重要！

这种拓扑结构不仅要提高了开关器件的电流承载能力，还要降低导通损耗和开关损耗，从而提高了整个系统的性能、效率。因此，我们有必要对不同的拓扑结构进行分析，并且悉知市场上混合开关在逆变器中的应用实例，说明不同拓扑结构在提高逆变器效率和可靠性方面的显著效果。

图片来源：ST| SysPro备注：以上摘要，完整内容可见「SysPro电力电子技术」混合SiC专栏：

2.Si/SiC器件特性详解 |2.1 SiC-Si混合功率器件的4种拓扑

Si/SiC混合开关的器件特性

了解了不同的混合驱动拓扑结构，下面我们以Si IGBT与SiC MOSFET为对象，对这一技术方案做详细的说明。首先要知道的是，Si IGBT+SiC MOSFET开关特性是什么？为什么具备这一特性？如何利用各自的特性成就最佳的应用？

「导通特性」

从导通特性看，由于不同的物理结构，IGBT与SIC MSOFET具有不同的输出特性曲线，如下图所示。SiC MOSFET导通特性表现得更像一个电阻输出特性，而IGBT 则表现出一个非常明显的拐点(Knee Voltage)特性。这种技术上的差异即表现出两种器件不同的导通损耗特点：

在电流较小时，SiC mosfet 具有更小的导通损耗
当电流较大（超过曲线交点）时，IGBT 的导通损耗则更小

IGBT 和SIC MOSFET导通特性

图片来源：英飞凌

「开关特性」

从开关特性看，IGBT属于双极性器件，在关断时由于少子的复合肯定会造成拖尾电流，使其开关损耗特性较差。而SiC MOSFET具有更快的开关速度，且没有拖尾电流, 所以其开关损耗对比IGBT具明显优势。| SysPro备注：少子复合是指在半导体材料中，电子和空穴在复合中心相遇并重新结合的过程，是能量损失的主要途径之一，对器件的转换效率有重要影响。

IGBT 和SIC MOSFET开关特性

图片来源：英飞凌

综上，SiC MOSFET器件并不是在所有负载条件下，都具有压倒性的性能优势。这也就很容易理解在选择SiC mosfet 还是Si IGBT 时需要考虑一个盈亏平衡点。

| SysPro备注：以上摘要，完整内容可见「SysPro电力电子技术」混合SiC专栏：

2. Si/SiC器件特征详解 | 2.2 导通特性

2. Si/SiC器件特征详解 | 2.3 开关特性 | 开通特性

2. Si/SiC器件特征详解 | 2.4混合开关电流分配特性

混合开关的时序管理与控制策略当我们对器件特性和系统级应用合理方式有了深入的理解后，下一步就是要考虑如何实现这些设计思路？这里面有三个关键问题：电流配比、时序管理、控制策略。电流配比，其实回答的是：如何在确保功率开关安全工作的基础上，充分发挥功率开关的输出能力？我们会基于英飞凌1200V器件，通过介绍这四种混合器件在双管并联双脉冲测试平台上的实际开通关断表现，以说明不同混合电流配比下，电流容量对电流分配的影响，同时考虑器件的安全工作范围。

图片来源：ST

| SysPro备注：以上摘要，完整内容可见「SysPro电力电子技术」混合SiC专栏：

2. Si/SiC器件特征详解 | 2.5异步开关中的最佳损耗

时序管理，是Si/SiC混合开关设计的关键环节之一。通过精确控制Si IGBT和SiC MOSFET的开通和关断时序，可以实现IGBT的零电压开关（ZVS），从而进一步降低开关损耗。那么，如何通过异步开关策略优化混合开关的损耗？不同开关时序的选择(开关模式)有哪些？不同开通延时和关断延时对混合开关的开通损耗和关断损耗有何影响？这些问题是我们z重点要明白的。

图片来源：ST

| SysPro备注：以上摘要，完整内容可见「SysPro电力电子技术」混合SiC专栏：

2. Si/SiC器件特征详解 | 2.5异步开关中的最佳损耗

最后，我们会介绍一些市场上一些新型的混合驱动IC，以同步或异步驱动SiC MOSFET和Si IGBT，并具备高级时序管理功能。通过实时选择开通和关断延迟时间以及优先级顺序，这些驱动IC能够优化混合开关的工作性能，提高系统的效率和可靠性。| SysPro备注：以上摘要，完整内容可见「SysPro电力电子技术」混合SiC专栏：

2. Si/SiC器件特征详解 | 2.6 同步开关中的驱动强度控制策略上篇：开关过程详解
2. Si/SiC器件特征详解 | 2.6 同步开关中的驱动强度控制策略中篇：过流优化思路

图片来源：ST图片来源：ST

05混合开关的驱动电路与保护机制(知识星球发布)了解了如何通过混合驱动IC，通过时序管理实现SIC和SI的最佳开关，那么如何保障混合开关过程中的正常工作、不失效呢？...| SysPro备注：以上摘要，完整内容可见「SysPro电力电子技术」混合SiC专栏：

主流混碳栅极驱动芯片解析 | 带有栅极时序控制功能的ST解决方案

主流混碳栅极驱动芯片解析 | NXP GD3162可调栅极驱动强度功能介绍

06总结

从上面的介绍可以看出，为了全面、系统地了解SiC-Si混合功率半导体这一技术方向，我们的整体思路是分三步走。第一步：从最基础的器件入手。先深入了解再探讨：它们以及SiC MOSFET与Si IGBT的单个特性如何？并联后的表现怎样？如何利用这些器件本身的特性来优化系统性能？第二步：在了解了不同开关模式下的器件特性和表现后，我们进入逆变器层级。讨论我们结合器件级的解读内容，探讨如何根据应用工况，通过合理的SIC/SI的配比和驱动策略，将管子的输出特性发挥到极致，同时实现更高的系统效率和更低的损耗。如何在不同负载条件下充分利用SiC MOSFET和Si IGBT的电流能力，以达到效率与性能的最佳平衡？

第三部：当我们对器件特性和系统级应用方式有了深入的理解后，下一步就是要考虑如何实现这些设计思路？我们将从驱动IC和驱动电路的角度出发，探讨如何通过合理的控制策略与驱动方案设计来实现混合SiC-Si功率器件的高效运行？图片来源：ST

最终，其实想搞清楚Si/SiC混合开关在电动汽车领域的应用方案、前景究竟如何？未来，电动汽车市场仍然会不断地扩大，新能源技术也会不断进步，对高效、高功率密度、高可靠性的开关器件需求将持续增长，Si/SiC混合开关凭借其不错的性能和成本优势，短期内或许有望成为主流的开关构型，为产品技术的迭代升级注入新的活力。