混合器件的原理及应用

今天想抽出点时间来聊一下复合器件（Si IGBT + SiC MOSFET），我也不太清楚这个中文名字应该叫什么，文献里都叫做Hybrid switch，我就叫它混合器件吧。

由于传统Si IGBT具有低成本以及低导通损耗的优点，它已经被广泛应用于各种工业应用场合。但是由于IGBT的开关损耗较大，所以系统的开关频率较低（10 kHz - 30 kHz），从而导致无源器件的体积较大。近些年来，随着宽禁带半导体器件的发展，具有低开关损耗的SiC MOSFET已经在逐步取代传统的Si IGBT。SiC MOSFET可以应用在较高的开关频率从而提高系统功率密度以及效率。即使如此，由于制造工艺不同，对于碳化硅器件，它的生产成本是普通硅器件的五倍左右。因为，为了实现系统效率和成本之间的均衡，一种新型的混合器件的概念便被提出来。对于该混合器件，它由传统的硅器件和碳化硅器件并联组成，它可以同时结合传统硅器件低导通损耗低成本的优点以及新型碳化硅器件的高频率低开关损耗的优点。图一所示便是混合器件示意图。

图一、Hybrid switch示意图

图二对比了采用复合器件以及全碳化硅器件和全硅器件的成本对比，器件的电压应力为1200 V，电流应力为40 A。当与全碳化硅方案相比时，采用复合器件可以节省超过一半的成本。（全硅方案：IGW40T120 from Infineon1200 V, 40 A；复合器件：C2M0160120D from CREE 1200V, 12.5 A以及IGW40T120 from Infineon1200 V, 40 A；全碳化硅方案：C2M0040120D from CREE 1200 V 40 A)

图二、不同方案成本对比

根据开通延时和关断延时的不同，复合器件有以下四种驱动方式。由于传统Si IGBT开关损耗较大，为了提高复合器件的效率，我们可以在开通时刻让SiC MOSFET先导通，那么IGBT就可以实现零电压开通。在关断过程中，我们可以让IGBT先关断，由于此时SiC MOSFET还处于导通状态，那么IGBT也可以实现零电压关断，这样便可以减小IGBT的开关损耗提高系统的工作频率。

图三、复合器件驱动方式

图四所示为当复合器件的开通延时和关断延时为零时的波形（绿色为MOSFET电流波形，紫色为IGBT电流波形），其中母线电压为400 V，电流为22 A。可以看出，由于MOSFET开关速度快，所以在开通过程中，MOSFET先导通，所有电流都将流经MOSFET。随着IGBT的慢慢开通，由于IGBT的导通压降较低，所以流经它的电流慢慢增加。最后在关断过程，由于MOSFET关断速度快，所以电流会全部流经IGBT。由于IGBT较长的拖尾电流，会产生较大的关断损耗从而影响效率。

图四、无延时时的实验波形

为了提高效率减小关断损耗，我们可以加入一定的开关延时和关断延时从而来减小IGBT的开关损耗。图五所示便是引入延时的实验波形。可以看出，MOSFET先导通，所以IGBT可以完全实现零电压开通。在关断过程中，首先关断IGBT，此时MOSFET仍处于导通过程中，所以复合器件压降为零，因此IGBT也可以实现零电压关断。

图五、有延时时的实验波形

有大量文献研究了不同延时下复合器件的损耗，从而得出最佳的开通延时和关断延时时间。总体来说，开通延时不需要过长，因为，本身碳化硅器件开关速度快于硅器件，所以IGBT基本可以实现零电压开通。对于关断延时，应该尽量保证IGBT可以实现零电压关断。但是过长的关断延时也会使复合器件效率下降，因为碳化硅器件的损耗会增加。

由于复合器件低成本高效率的特点，它们已经被应用于不同的场合。在实际应用中，为了提高复合器件的可靠性，器件的结温应予以关注。如图六所示，当电流为12 A左右时，流经IGBT的电流略大于MOSFET，因此它的导通损耗略大（电路为Boost电路，输出电压为200 V左右，开关频率为20 kHz）。但另一方面，MOSFET的开关损耗要大于IGBT，因为IGBT基本实现了软开关。综合来看，两个器件的结温基本一致。

图六、复合器件温度特性（电流为12 A）

随着电流的增加，越来越多的电流会流经IGBT从而使IGBT的导通损耗远大于MOSFET。此时IGBT的结温要高于MOSFET。

图六、复合器件温度特性（电流为20 A）

为了实现温度的均衡，我们这里提出了一种变驱动电压的方式来改变复合器件内部电流的分配，从而调节损耗以及温度。它的基本原理就是根据图七所示的器件驱动电压与导通电阻的关系。可以看出器件的导通电阻随着驱动电压的增加而减小。那么利用这个特性，我们便可以去动态调节复合器件的电流分配从而实现温度的均衡或者提供一个自由度去设计复合器件。图八所示便是通过增加MOSFET的驱动电压时的实验结果。可以看出，MOSFET与IGBT的结温基本一致，从而达到均温的效果。

图七、驱动电压与导通电阻的关系

图八、复合器件的温度特性（电流为20 A，不同的驱动电压）

变驱动电压可以通过有源驱动的方式来实现。这样通过理论和实验分析，我们可以得到复合器件在不同工况下的最优驱动，可以利用查表的方法实现对复合器件全局工作范围内的优化。图九所示是复合器件工作在100 kHz时的工作波形。可以看出与传统硅器件相比，复合器件可以大大提高开关频率降低开关损耗。

图九、复合器件工作在100 kHz

写到这里，基本上也把我想讲的大概都说完了。希望大家能够对复合器件有一定的认识，知道它的原理以及工作模式，感兴趣的读者可以通过下面几篇文献来更深入的了解。