以下內(nèi)容發(fā)表在「SysPro電力電子技術(shù)」知識(shí)星球- 關(guān)于混合SiC-Si功率半導(dǎo)體技術(shù)方案的解讀 | 引導(dǎo)文- 原創(chuàng)文章，僅用于SysPro內(nèi)部使用，非授權(quán)不得轉(zhuǎn)載

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導(dǎo)語：隨著大功率應(yīng)用場(chǎng)景的蓬勃發(fā)展，如太陽能逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁等，對(duì)功率開關(guān)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以其卓越的性能脫穎而出，但高昂的成本限制了其廣泛應(yīng)用。而和 IGBT則憑借其低成本和成熟工藝占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。為了兼顧性能與成本，Si/SiC混合開關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。為了全面地、系統(tǒng)地了解這一技術(shù)方案，搞清楚Si/SiC混合開關(guān)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的前景究竟如何？應(yīng)用方案如何實(shí)現(xiàn)？

我們?cè)?strong>知識(shí)星球中創(chuàng)建了「混碳」專欄，系統(tǒng)深度地探討Si/SiC混合開關(guān)的設(shè)計(jì)背景、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、器件特性、時(shí)序管理與控制策略，以及驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)機(jī)制， 旨在全面解析這一技術(shù)方向。

目錄

1. Si/SiC混合開關(guān)的設(shè)計(jì)背景與優(yōu)勢(shì)

2. Si/SiC混合開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3. Si/SiC混合開關(guān)的器件特性

4. 混合開關(guān)的時(shí)序管理與控制策略
5. 混合開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)機(jī)制(知識(shí)星球發(fā)布)

6. 總結(jié)|SysPro備注：本篇為引導(dǎo)文，詳細(xì)解讀在知識(shí)星球中發(fā)布(文末介紹)

01

Si/SiC混合開關(guān)的設(shè)計(jì)背景與優(yōu)勢(shì)

隨著太陽能逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁等大功率應(yīng)用場(chǎng)景的不斷發(fā)展，對(duì)開關(guān)器件的性能要求越來越高。SiC MOSFET以其高功率密度、高效率和優(yōu)異的熱性能脫穎而出，但其高昂的成本限制了其在大規(guī)模應(yīng)用中的普及。而Si IGBT則以其低成本、大電流承載能力和成熟的制造工藝占據(jù)了市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

因此，將SiC MOSFET和Si IGBT并聯(lián)使用，形成混合開關(guān)，既能發(fā)揮SiC MOSFET的高性能優(yōu)勢(shì)，又能利用Si IGBT的成本優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)性能與成本的完美平衡。那么，如何定制Si/SiC混并開關(guān)的拓?fù)?，以得到最?yōu)解呢？

圖片來源：Infineon

02

Si/SiC混合開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

混合開關(guān)由Si IGBT和SiC MOSFET并聯(lián)組成，通過合理的拓?fù)湓O(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)策略，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。因此，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)定義至關(guān)重要！

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅要提高了開關(guān)器件的電流承載能力，還要降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率。因此，我們有必要對(duì)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并且悉知市場(chǎng)上混合開關(guān)在逆變器中的應(yīng)用實(shí)例，說明不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在提高逆變器效率和可靠性方面的顯著效果。

圖片來源：ST| SysPro備注：以上摘要，完整內(nèi)容可見「SysPro電力電子技術(shù)」混合SiC專欄：

2.Si/SiC器件特性詳解 |2.1 SiC-Si混合功率器件的4種拓?fù)?/strong>

03

Si/SiC混合開關(guān)的器件特性

了解了不同的混合驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，下面我們以Si IGBT與SiC MOSFET為對(duì)象，對(duì)這一技術(shù)方案做詳細(xì)的說明。首先要知道的是，Si IGBT+SiC MOSFET開關(guān)特性是什么？為什么具備這一特性？如何利用各自的特性成就最佳的應(yīng)用？

「導(dǎo)通特性」

從導(dǎo)通特性看，由于不同的物理結(jié)構(gòu)，IGBT與SIC MSOFET具有不同的輸出特性曲線，如下圖所示。SiC MOSFET導(dǎo)通特性表現(xiàn)得更像一個(gè)電阻輸出特性，而IGBT 則表現(xiàn)出一個(gè)非常明顯的拐點(diǎn)(Knee Voltage)特性。這種技術(shù)上的差異即表現(xiàn)出兩種器件不同的導(dǎo)通損耗特點(diǎn)：

• 在電流較小時(shí)，SiC mosfet 具有更小的導(dǎo)通損耗
• 當(dāng)電流較大（超過曲線交點(diǎn)）時(shí)，IGBT 的導(dǎo)通損耗則更小

IGBT 和SIC MOSFET導(dǎo)通特性

圖片來源：英飛凌

「開關(guān)特性」

從開關(guān)特性看，IGBT屬于雙極性器件，在關(guān)斷時(shí)由于少子的復(fù)合肯定會(huì)造成拖尾電流，使其開關(guān)損耗特性較差。而SiC MOSFET具有更快的開關(guān)速度，且沒有拖尾電流, 所以其開關(guān)損耗對(duì)比IGBT具明顯優(yōu)勢(shì)。| SysPro備注：少子復(fù)合是指在半導(dǎo)體材料中，電子和空穴在復(fù)合中心相遇并重新結(jié)合的過程，是能量損失的主要途徑之一，對(duì)器件的轉(zhuǎn)換效率有重要影響。

IGBT 和SIC MOSFET開關(guān)特性

圖片來源：英飛凌

綜上，SiC MOSFET器件并不是在所有負(fù)載條件下，都具有壓倒性的性能優(yōu)勢(shì)。這也就很容易理解在選擇SiC mosfet 還是Si IGBT 時(shí)需要考慮一個(gè)盈虧平衡點(diǎn)。

| SysPro備注：以上摘要，完整內(nèi)容可見「SysPro電力電子技術(shù)」混合SiC專欄：

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.2 導(dǎo)通特性

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.3 開關(guān)特性 | 開通特性

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.4混合開關(guān)電流分配特性

04

混合開關(guān)的時(shí)序管理與控制策略當(dāng)我們對(duì)器件特性和系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用合理方式有了深入的理解后，下一步就是要考慮如何實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)思路？這里面有三個(gè)關(guān)鍵問題：電流配比、時(shí)序管理、控制策略。電流配比，其實(shí)回答的是：如何在確保功率開關(guān)安全工作的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮功率開關(guān)的輸出能力？我們會(huì)基于英飛凌1200V器件，通過介紹這四種混合器件在雙管并聯(lián)雙脈沖測(cè)試平臺(tái)上的實(shí)際開通關(guān)斷表現(xiàn)，以說明不同混合電流配比下，電流容量對(duì)電流分配的影響，同時(shí)考慮器件的安全工作范圍。

圖片來源：ST

| SysPro備注：以上摘要，完整內(nèi)容可見「SysPro電力電子技術(shù)」混合SiC專欄：

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.5異步開關(guān)中的最佳損耗

時(shí)序管理，是Si/SiC混合開關(guān)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過精確控制Si IGBT和SiC MOSFET的開通和關(guān)斷時(shí)序，可以實(shí)現(xiàn)IGBT的零電壓開關(guān)（ZVS），從而進(jìn)一步降低開關(guān)損耗。那么，如何通過異步開關(guān)策略優(yōu)化混合開關(guān)的損耗？不同開關(guān)時(shí)序的選擇(開關(guān)模式)有哪些？不同開通延時(shí)和關(guān)斷延時(shí)對(duì)混合開關(guān)的開通損耗和關(guān)斷損耗有何影響？這些問題是我們z重點(diǎn)要明白的。

圖片來源：ST

| SysPro備注：以上摘要，完整內(nèi)容可見「SysPro電力電子技術(shù)」混合SiC專欄：

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.5異步開關(guān)中的最佳損耗

最后，我們會(huì)介紹一些市場(chǎng)上一些新型的混合驅(qū)動(dòng)IC，以同步或異步驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET和Si IGBT，并具備高級(jí)時(shí)序管理功能。通過實(shí)時(shí)選擇開通和關(guān)斷延遲時(shí)間以及優(yōu)先級(jí)順序，這些驅(qū)動(dòng)IC能夠優(yōu)化混合開關(guān)的工作性能，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。| SysPro備注：以上摘要，完整內(nèi)容可見「SysPro電力電子技術(shù)」混合SiC專欄：

• 2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.6 同步開關(guān)中的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度控制策略上篇：開關(guān)過程詳解
• 2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.6 同步開關(guān)中的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度控制策略中篇：過流優(yōu)化思路

圖片來源：ST圖片來源：ST

05混合開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)機(jī)制(知識(shí)星球發(fā)布)了解了如何通過混合驅(qū)動(dòng)IC，通過時(shí)序管理實(shí)現(xiàn)SIC和SI的最佳開關(guān)，那么如何保障混合開關(guān)過程中的正常工作、不失效呢？...| SysPro備注：以上摘要，完整內(nèi)容可見「SysPro電力電子技術(shù)」混合SiC專欄：

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06總結(jié)

從上面的介紹可以看出，為了全面、系統(tǒng)地了解SiC-Si混合功率半導(dǎo)體這一技術(shù)方向，我們的整體思路是分三步走。第一步：從最基礎(chǔ)的器件入手。先深入了解再探討：它們以及SiC MOSFET與Si IGBT的單個(gè)特性如何？并聯(lián)后的表現(xiàn)怎樣？如何利用這些器件本身的特性來優(yōu)化系統(tǒng)性能？第二步：在了解了不同開關(guān)模式下的器件特性和表現(xiàn)后，我們進(jìn)入逆變器層級(jí)。討論我們結(jié)合器件級(jí)的解讀內(nèi)容，探討如何根據(jù)應(yīng)用工況，通過合理的SIC/SI的配比和驅(qū)動(dòng)策略，將管子的輸出特性發(fā)揮到極致，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率和更低的損耗。如何在不同負(fù)載條件下充分利用SiC MOSFET和Si IGBT的電流能力，以達(dá)到效率與性能的最佳平衡？

第三部：當(dāng)我們對(duì)器件特性和系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用方式有了深入的理解后，下一步就是要考慮如何實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)思路？我們將從驅(qū)動(dòng)IC和驅(qū)動(dòng)電路的角度出發(fā)，探討如何通過合理的控制策略與驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)混合SiC-Si功率器件的高效運(yùn)行？圖片來源：ST

最終，其實(shí)想搞清楚Si/SiC混合開關(guān)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用方案、前景究竟如何？未來，電動(dòng)汽車市場(chǎng)仍然會(huì)不斷地?cái)U(kuò)大，新能源技術(shù)也會(huì)不斷進(jìn)步，對(duì)高效、高功率密度、高可靠性的開關(guān)器件需求將持續(xù)增長(zhǎng)，Si/SiC混合開關(guān)憑借其不錯(cuò)的性能和成本優(yōu)勢(shì)，短期內(nèi)或許有望成為主流的開關(guān)構(gòu)型，為產(chǎn)品技術(shù)的迭代升級(jí)注入新的活力。

以上內(nèi)容為SysPro原創(chuàng)《Si-IGBT+SiC-MOSFET并聯(lián)混合開關(guān)設(shè)計(jì)指南》節(jié)選，上述所提到的詳細(xì)的完整解讀、技術(shù)報(bào)告、半導(dǎo)體產(chǎn)品方案資料、解析視頻、前瞻行業(yè)資訊在知識(shí)星球「SysPro電力電子技術(shù)EE」中發(fā)布，歡迎進(jìn)一步查閱、學(xué)習(xí)，希望有所幫助！

《Si-IGBT+SiC-MOSFET并聯(lián)混合開關(guān)設(shè)計(jì)指南》——SysPro原創(chuàng)系列文章的思維腦圖

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2025年6月6日

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