混合SiC/IGBT逆变器能否成为电动汽车的最优解?

绝缘栅双极晶体管(IGBT)和碳化硅(SiC)MOSFET是现代电动汽车牵引系统的核心元件。尽管IGBT以鲁棒性和成本效益著称，但其固有的高开关损耗和较慢开关速度会降低系统效率，尤其在高频和低负载工况下表现更为明显。

相比之下，基于SiC的逆变器虽具有更低开关损耗和更高效率，但其制造成本较高且依赖先进工艺。混合SiC/IGBT方案旨在融合SiC的高效快速与IGBT的稳健经济，从而在低负载和部分负载工况下优化性能，同时控制系统成本。

此前硬开关脉宽调制逆变器的混合开关尝试曾因硅MOSFET体二极管反向恢复问题受阻。而SiC体二极管近乎可忽略的反向恢复特性，使得混合开关无需辅助零电压开关电路即可实现更高效率。

尽管预计未来五年SiC器件成本将随制造工艺提升和规模效应下降，但供应链限制和材料短缺仍带来不确定性。混合开关技术作为极具吸引力的折中方案，既能发挥SiC在中低负载下的优势，又可保留IGBT在大电流工况下的可靠性。

混合开关工作原理

该技术需精确匹配半导体电气特性并设计严谨的栅极控制策略，这增加了系统设计复杂度。提出的控制策略要求SiC器件略早于IGBT开启并稍晚关闭，这种时序优化可显著降低开关损耗，提升逆变器整体效率。

现有实验多聚焦于单器件小型原型，但实际应用(如车用牵引逆变器)需多器件并联，这使控制与性能动态复杂化。例如，当并联IGBT间时序未精确优化时，其高输出电容会严重影响开关特性。

双脉冲测试平台方案

针对这些挑战，团队开发了新型双脉冲测试平台(DPTP)。该平台采用专为多器件并联评估设计的T-PAK封装，可便捷集成测试牵引逆变器混合开关。

图1

目标逆变器工作参数为400V直流母线电压、1200A峰值电流和10kHz开关频率，采用3个意法半导体IGBT与1个SiC MOSFET组成的混合开关，电流分配比为3:1(图1)。这种设计下SiC MOSFET承担总电流的1/4，三个IGBT分担3/4。

DPTP采用低寄生电感母线设计，具备层状绝缘导体、器件定位集成槽和罗氏线圈电流检测等特征。其模块化结构简化了特性表征流程，优化了开关参数识别。

创新型T-PAK封装将多功率半导体集成于紧凑结构，优化了热管理和电气性能。DPTP可快速表征混合开关，精准确定最佳开关时序，提取关键开关参数。

表1

测试流程通过纳秒级高分辨率延时设置微调SiC与IGBT的开关时序，包括电容预充电、微控制器门极信号调控、波形采集及Python数据处理，能快速提取不同电流负载下的开关能量等核心指标。DPTP方法学还补偿了电容放电导致的电压跌落，确保测量精度(参数详见表1)。

实验结果

在90A至570A电流范围内对比测试显示：采用最优时序策略时，混合开关的开关损耗显著低于纯IGBT方案，并接近全SiC配置水平。其中SiC器件在开启时提前120ns、关断时延迟840ns的时序方案能实现最优能效与可靠性平衡。

当电流低于300A时，SiC器件可优先导通而不超出安全工作区;更高电流则需采用不同换相时序以维持热安全裕度。

热分析

基于器件手册参数和全球轻型车测试规程建立的详细热模型证实：SiC结温升始终处于安全限值内(最高ΔTj为35℃)，验证了动态驾驶工况下控制策略的可行性。

研究表明，SiC MOSFET与硅IGBT构成的混合开关为EV牵引逆变器提供了性能与成本的理想平衡。DPTP平台大幅简化了特性表征过程，能快速优化控制策略。该混合方案在影响电动车续航的关键低/部分负载工况下提升能效，同时保持系统成本低于全SiC方案。未来研究将聚焦于完整驾驶循环模拟集成及实际工况下的热模型优化。