混合SiC-Si功率半导体技术方案解构与实现

文摘   2025-01-16 06:46   上海  

-   关于混合SiC-Si功率半导体技术方案的解读 | 引导文
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以下内容发表在「SysPro电力电子技术」知识星球
专栏:混合功率开关半导体技术
2024年,在电动汽车功率半导体领域发生了很多有趣的事情,彼时内各家OEMs/Tier1s陆续上线了他们的混合SiC逆变砖/逆变器/动力总成产品,随之而来的是动力系统领域关于SiC-Si混合功率半导体技术的讨论。
图片来源:汇川联合动力第四代PD4H混碳电控
为了全面、系统地对了解SiC-Si混合功率半导体这一技术方向,看到全局,我想对构成这一技术的知识体系产品方案做个系统性梳理核心目标是:构建混合SiC EE平台的产品能力和个人能力不浮于表面,提供能真正为产品开发带来帮助的概念、理念和方法。

图片来源:SysPro系统工程智库

我们的整体思路是分三步走。
第一步:最基础的器件入手。先深入了解SiC MOSFET与Si IGBT的单个特性如何?再探讨它们并联后的表现怎样?以及如何利用这些器件本身的特性来优化系统性能?这部分内容已在「SysPro电力电子技术」星球的2.1章节发布(内容介绍向下滑动)

图片来源:ST

第二步:在了解了不同开关模式下的器件特性和表现,我们进入逆变器层级。讨论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?我们会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

图片来源:Infineon

第三部:我们对器件特性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驱动电路的角度出发,探讨如何通过合理的控制策略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:Infineon
上面整个过程中,我们将尽可能使用通俗易懂的语言有层级、有逻辑地、从浅入深,对混合功率半导体在电动汽车领域,特别是动力系统上的应用进行解释,为大家在实际设计开发中提供一些的支持和参考。

截止目前,我们对混碳功率半导体知识体系器件级的构建完成1/3,以下为这部分内容的引导文,供参考。|SysPro备注:以下目录来自于「SysPro电力电子技术」知识星球 · 专栏二:混合功率半导体技术方案解析。

2. 混合SiC功率半导体技术知识体系构建(器件层级)

2.1 SiC-Si混合功率器件的主流拓扑结构

  • SiC-Si混合功率器件有哪些主流拓扑结构
  • 每种拓扑结构的特点和优势是什么?
  • ZVS技术如何降低开关损耗并带来其他好处?

2.2 SiC MOSFET与Si IGBT的导通特性

  • SiC MOSFET和Si IGBT的导通特性有何不同?
  • 温度如何影响SiC MOSFET和Si IGBT的导通特性?
  • 混合开关如何结合SiC MOSFET和Si IGBT的优势?

2.3 SiC MOSFET与Si IGBT的开关特性

  • SiC MOSFET和Si IGBT的开关特性有何不同?
  • 混合开关的开通特性是怎样的?
  • 寄生元件如何影响混合开关的开关波形和损失?

2.4 混合开关的电流分配特性

  • 混合开关相比单一器件有何优势
  • 混合开关的理论分流特性是怎样的?
  • 如何计算混合开关的额定电流?(考虑两者压降不匹配带来的电流偏差
  • 不同MOSFET/IGBT配比下混合开关的电流分配特性如何

2.5 异步开关策略下的损耗优化

  • 如何通过异步开关策略优化混合开关的损耗?(混合开关时序怎么定,开关损耗最小?)
  • 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

2.6 同步开关中的驱动强度控制策略(上篇:开关过程详解)

  • 同步开关策略下混合开关的开通过程和关断过程是怎样的?
  • 如何通过电路图和方程量化开通过程和关断过程中各物理量之间的关系?(同时开、同时关的特性是怎样的?)

2.6 (续) 同步开关中的驱动强度控制策略(中篇:过流优化思路)

  • 如何通过栅极电阻的选型与控制优化混合开关在高负载工况下的过流问题?(高负载器件容易发生过流)
  • 不同栅极电阻对混合开关开通过程和关断过程有何影响?
  • 实测数据如何支持栅极电阻优化策略的有效性?(实测数据中找规律,提供一些设计选型参考)

2.6 (续) 同步开关中的驱动强度控制策略下篇

2.7 混合开关驱动电压策略
2.8 Si/SiC电流配比对混合开关性能的影响

2.9 损耗模型

2.10 栅极控制策略在逆变器中的应用
2.11 混合开关驱动电路设计
2.12 电动汽车主驱逆变器仿真分析

3. 逆变器系统级混合SiC-Si应用的关键 (逆变器应用层级)

4. 控制策略与驱动方案的详解 (功能逻辑/特性的实现方法)

注: 本篇为节选,完整内容会在知识星球发布(点击文末"阅读原文")


以上内容为SysPro原创混合SiC-Si功率半导体技术方案构建与实现系列解读的专栏二的导文后续的完整解读内容、技术报告、公开方案资料、解析视频会在在知识星球「SysPro电力电子技术EE中发布,欢迎进一步查阅、学习,希望有所帮助!注意!「SysPro电力电子技术」≠「SysPro系统工程智库」,文末有两者区别介绍。

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2025年1月16日

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「SysPro 电力电子技术EE」知识星球全新上线

「SysPro 电力电子技术EE是SysPro旗下一个专注于电动汽车电力电子技领域高阶成长社群,2025年1月1日正式上线第一期会聚焦先进功率半导体技术方案,以此为主线把功率这一侧内容理顺。此后,会专注其他例如主控芯片、电源架构、通讯架构、物理采样等。总之,一些前瞻有价值的技术方案都会有所涉及,重点从功能视角电力电子技术知识体系进行构建
图片来源:英飞凌

SysPro的两个星球内容说明
特别需要说明是:SysPro目前有两个知识体系构建社群,一个是「SysPro系统工程智库」, 一个是「SysPro 电力电子技术EE,内容框架如下图。

「SysPro 电力电子技术EE专注于电力电子方向,会侧重在实现方面进行深入解读,完整的技术报告、前瞻技术方案资料、datasheet解读、应用指南解读会等内容会在这里发布。我们投入了很多的资源在其中,因此定价相对较高,对专业技能要求也更高,建议在这个专业方向的朋友考虑。
「SysPro系统工程智库」的会员朋友也别担心,除了动力系统领域15个专栏内容在,同样也会涉及电力电子的内容,在<电力电子>专栏中发布。会对这个领域最新技术方向做解释,但不会深入到实现层面,部分的技术报告、前瞻技术方案资料也会在这里发布。相比「SysPro电力电子技术」范围会小,两星球在电力电子内容构建的具体差异在下图做了说明。
大家根据自己的实际情况选择即可。


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关于公众号<SysPro系统工程智库>的内容发布,暂定计划如下图所示。其中:周一、周四在公众号发表「SysPro电力电子技术」节选内容周二、周三、周五、周六在公众号发表「SysPro系统工程智库」节选内容|SysPro备注,这里要特别注意的是:点击公众号文章文末的“阅读原文”,会跳转到对应日期下的知识星球中,这里可能会引起误解,特此解释下。


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