混碳功率半导体知识体系 | 第二章:混合SiC功率器件特征详解 | 引导文

文摘   2025-01-06 06:46   上海  

- 「SysPro电力电子技术」高阶成长知识星球的内容

-   关于第一阶段:混碳功率半导体知识体系的构建,第二章
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-  本篇为节选,完整内容会在知识星球发布,欢迎学习、交流

导语:随着电力电子技术的不断发展,IGBT和MOSFET作为功率转换电路中的核心器件,因其可控性而得到了广泛应用。然而,每种器件单独使用时都存在固有弱点,难以满足电动汽车等高性能应用对效率和成本的双重需。为了克服这一挑战,SiC-Si混合功率开关拓扑技术应运而生。
以下内容是「SysPro电力电子技术」高阶成长知识星 · 第一阶段 · 第2章 · 2.1~2.4小节 · 引导文我们将SiC-Si混合功率器件的四种主流拓扑结构出发,深入探讨其导通特性、开关特性、电流分配特性以及混合开关的优势与应用
通过对比分析IGBT和SiC MOSFET的器件特性,揭示混合开关如何结合两者优点,实现更高效、更可靠的功率转换?同时,我们还将探讨混合开关在开通与关断过程中的复杂现象,以及如何通过优化门极驱动策略来实现更低的开关损耗和提高开关频率最后,本文将介绍混合开关的电流分配关系和额定电流计算方法,为混合开关的实际应用提供理论指导

目录
1. 半导体基础知识 (根据知识体系搭建过程中需求持续补充)
2. Si/SiC特征详解
2.1 SiC-Si混合功率器件拓扑结构
2.2 导通特性
  • 2.2.1 SiC-MOSFET 和Si-IGBT 的导通特性
  • 2.2.2 SiC/SI混合功率开关的导通特性
  • 2.2.3 温度对导通特性的影响
2.3 开关特性
  • 2.3.1 SiC-MOSFET 和Si-IGBT 的开通特性
  • 2.3.2 SiC/SI混合功率开关的关断特性
  • 2.3.3 SiC MOSFET 电流分配比例和芯片面积
2.4 混合开关电流分配特性
  • 2.4.1. 混合开关优势
  • 2.4.2. 混合开关理论分流特性
  • 2.4.3. 混合开关额定电流计算
  • 2.4.4. 不同MOSFET/IGBT配比下的混合开关电流分配特性
  • 2.4.5. 结论
2.5 SiC-Si混合功率器件的应用
3. 逆变器功率器件的分析理论基础
4. Si/SiC混合开关的特性表征
5. Si/SiC混合功率器件的试验分析
6. 电动汽车主驱逆变器仿真分析
7. 总结

注: 本篇为第2章节内容摘要,详细完整内容会在知识星球发布(点击文末"阅读原文"了解)


以下内容为「SysPro电力电子技术」高阶成长知识星球

第一阶段 · 第2章 · 各子章节 · 引导文

完整解析在星球中发布

02

SiC-Si混合功率器件特征详解

2.1 SiC-Si混合功率器件的4种拓扑

(知识星球节选)
在功率转换电路中,IGBT和MOSFET因其可控性而广泛应用,但每种器件单独使用时都存在固有弱点。为了克服这些缺点,引入了SiC-Si混合功率开关拓扑技术。第2.1章节,我们先介绍了四种主流的混合驱动拓扑结构
  • Si IGBT混合SiC SBD
  • Si IGBT混合反向传导二极管与Si MOSFET
  • Si IGBT混合Si MOSFET
  • Si IGBT混合SiC MOSFET

图片来源:SysPro电力电子技术

2.2 导通特性

(知识星球节选)

Si IGBTSiC MOSFET因其不同的物理结构,具有不同的导通特性。SiC MOSFET导通特性更像一个电阻,而Si IGBT则表现出明显的拐点电压特性。

  • Si-IGBT:高电流下具有较低的导通电阻,适用于高负载条件,但开关过程中可能产生较高损耗。
  • SiC-MOSFET:低电流下具有优越的导通特性,导通电阻低,开关损耗小,适用于高频应用,且SiC材料的高热导率有助于提高散热性能。
基于上述器件特性的基础,第2.2章节我们对比混合开关结合了这两种器件的优点,在低电流时由MOSFET导通高电流时由IGBT导通,从而在整个负载范围内实现较低的导通损耗。此外,还深入探讨了温度对导通特性的影响。最后,强调了在实际应用中需考虑温度对半导体器件特性的影响,并采取相应的热管理措施以确保系统的可靠运行。
图片来源:SysPro电力电子技术

2.3 开关特性

开关特性是混合开关损失的另一个主要来源,主要由栅极电阻寄生电容决定。IGBT属于双极性器件,关断时存在拖尾电流,开关损耗较大;而SiC MOSFET具有更快的开关速度,无拖尾电流,开关损耗较小。

图片来源:SysPro电力电子技术

接着,我们在2.3章节详细分析了混合开关的开通特性,包括开通波形的五个阶段,并指出实际开关波形受寄生元件影响,如漏源电容、二极管结电容和寄生电感,这些元件会增加开关损耗并影响电流稳定性。
此外,还通过实测结果展示了源极电感对MOSFET开关波形和开关损耗的影响,强调了寄生元件在开关特性中的重要性。通过优化混合开关的开关策略,如采用特定的门极驱动开关模式,可以实现更低的开关损耗和提高开关频率。

图片来源:SysPro电力电子技术


2.4 混合开关优势与应用

混合开关结合了SiC MOSFET和Si IGBT的优点,在低电流时由MOSFET导通高电流时由IGBT导通,从而在整个负载范围内实现较低的导通损耗。此外,通过优化门极驱动策略,可以实现Si IGBT的零电压关断,进一步降低开关损耗。

图片来源:SysPro电力电子技术

但是,混合开关在开通与关断过程中,受其组成元件SiC MOSFET和Si IGBT不同开关特性的影响,其对外展现的开关特性并非MOSFET与IGBT特性的简单叠加,而是普遍伴随着过流和换流等复杂现象。在第2.4章节,我们将从MOSFET和IGBT的特性理论出发,推导混合开关的电流分配关系,并基于此关系介绍混合开关额定电流的计算方法。同时,我们还将探讨不同MOSFET、IGBT配比下混合开关所面临的共同问题

图片来源:SysPro电力电子技术

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2. Si/SiC特征详解
2.1 SiC-Si混合功率器件拓扑结构
2.2 导通特性
  • 2.2.1 SiC-MOSFET 和Si-IGBT 的导通特性
  • 2.2.2 SiC/SI混合功率开关的导通特性
  • 2.2.3 温度对导通特性的影响
2.3 开关特性
  • 2.3.1 SiC-MOSFET 和Si-IGBT 的开通特性
  • 2.3.2 SiC/SI混合功率开关的关断特性
  • 2.3.3 SiC MOSFET 电流分配比例和芯片面积
2.4 混合开关电流分配特性
  • 2.4.1. 混合开关优势
  • 2.4.2. 混合开关理论分流特性
  • 2.4.3. 混合开关额定电流计算
  • 2.4.4. 不同MOSFET/IGBT配比下的混合开关电流分配特性
  • 2.4.5. 结论
2.5 SiC-Si混合功率器件的应用

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2025年1月6日

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