Si-IGBT+SiC-MOSFET并联混合驱动逆变器设计指南

文摘 2025-01-20 06:46 上海

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：本篇为指南为引导文，详细解读在知识星球中发布(点击"阅读原文")

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。

关于这一点的详细解释，可以参见「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

图片来源：ST

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。