混合SiC/IGBT逆變器是電動(dòng)汽車(chē)的最優(yōu)解，性能動(dòng)態(tài)復(fù)雜化

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和碳化硅(SiC)MOSFET是現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)牽引系統(tǒng)的核心元件。盡管IGBT以魯棒性和成本效益著稱(chēng)，但其固有的高開(kāi)關(guān)損耗和較慢開(kāi)關(guān)速度會(huì)降低系統(tǒng)效率，尤其在高頻和低負(fù)載工況下表現(xiàn)更為明顯。

相比之下，基于SiC的逆變器雖具有更低開(kāi)關(guān)損耗和更高效率，但其制造成本較高且依賴先進(jìn)工藝?；旌蟂iC/IGBT方案旨在融合SiC的高效快速與IGBT的穩(wěn)健經(jīng)濟(jì)，從而在低負(fù)載和部分負(fù)載工況下優(yōu)化性能，同時(shí)控制系統(tǒng)成本。

此前硬開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制逆變器的混合開(kāi)關(guān)嘗試曾因硅MOSFET體二極管反向恢復(fù)問(wèn)題受阻。而SiC體二極管近乎可忽略的反向恢復(fù)特性，使得混合開(kāi)關(guān)無(wú)需輔助零電壓開(kāi)關(guān)電路即可實(shí)現(xiàn)更高效率。

盡管預(yù)計(jì)未來(lái)五年SiC器件成本將隨制造工藝提升和規(guī)模效應(yīng)下降，但供應(yīng)鏈限制和材料短缺仍帶來(lái)不確定性?；旌祥_(kāi)關(guān)技術(shù)作為極具吸引力的折中方案，既能發(fā)揮SiC在中低負(fù)載下的優(yōu)勢(shì)，又可保留IGBT在大電流工況下的可靠性。

混合開(kāi)關(guān)工作原理

該技術(shù)需精確匹配半導(dǎo)體電氣特性并設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臇艠O控制策略，這增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度。提出的控制策略要求SiC器件略早于IGBT開(kāi)啟并稍晚關(guān)閉，這種時(shí)序優(yōu)化可顯著降低開(kāi)關(guān)損耗，提升逆變器整體效率。

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)多聚焦于單器件小型原型，但實(shí)際應(yīng)用(如車(chē)用牽引逆變器)需多器件并聯(lián)，這使控制與性能動(dòng)態(tài)復(fù)雜化。例如，當(dāng)并聯(lián)IGBT間時(shí)序未精確優(yōu)化時(shí)，其高輸出電容會(huì)嚴(yán)重影響開(kāi)關(guān)特性。

雙脈沖測(cè)試平臺(tái)方案

針對(duì)這些挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新型雙脈沖測(cè)試平臺(tái)(DPTP)。該平臺(tái)采用專(zhuān)為多器件并聯(lián)評(píng)估設(shè)計(jì)的T-PAK封裝，可便捷集成測(cè)試牽引逆變器混合開(kāi)關(guān)。

目標(biāo)逆變器工作參數(shù)為400V直流母線電壓、1200A峰值電流和10kHz開(kāi)關(guān)頻率，采用3個(gè)意法半導(dǎo)體IGBT與1個(gè)SiC MOSFET組成的混合開(kāi)關(guān)，電流分配比為3:1(圖1)。這種設(shè)計(jì)下SiC MOSFET承擔(dān)總電流的1/4，三個(gè)IGBT分擔(dān)3/4。

DPTP采用低寄生電感母線設(shè)計(jì)，具備層狀絕緣導(dǎo)體、器件定位集成槽和羅氏線圈電流檢測(cè)等特征。其模塊化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了特性表征流程，優(yōu)化了開(kāi)關(guān)參數(shù)識(shí)別。

創(chuàng)新型T-PAK封裝將多功率半導(dǎo)體集成于緊湊結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了熱管理和電氣性能。DPTP可快速表征混合開(kāi)關(guān)，精準(zhǔn)確定最佳開(kāi)關(guān)時(shí)序，提取關(guān)鍵開(kāi)關(guān)參數(shù)。

測(cè)試流程通過(guò)納秒級(jí)高分辨率延時(shí)設(shè)置微調(diào)SiC與IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)序，包括電容預(yù)充電、微控制器門(mén)極信號(hào)調(diào)控、波形采集及Python數(shù)據(jù)處理，能快速提取不同電流負(fù)載下的開(kāi)關(guān)能量等核心指標(biāo)。DPTP方法學(xué)還補(bǔ)償了電容放電導(dǎo)致的電壓跌落，確保測(cè)量精度(參數(shù)詳見(jiàn)表1)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在90A至570A電流范圍內(nèi)對(duì)比測(cè)試顯示：采用最優(yōu)時(shí)序策略時(shí)，混合開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗顯著低于純IGBT方案，并接近全SiC配置水平。其中SiC器件在開(kāi)啟時(shí)提前120ns、關(guān)斷時(shí)延遲840ns的時(shí)序方案能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能效與可靠性平衡。

當(dāng)電流低于300A時(shí)，SiC器件可優(yōu)先導(dǎo)通而不超出安全工作區(qū);更高電流則需采用不同換相時(shí)序以維持熱安全裕度。

熱分析

基于器件手冊(cè)參數(shù)和全球輕型車(chē)測(cè)試規(guī)程建立的詳細(xì)熱模型證實(shí)：SiC結(jié)溫升始終處于安全限值內(nèi)(最高ΔTj為35℃)，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)駕駛工況下控制策略的可行性。

研究表明，SiC MOSFET與硅IGBT構(gòu)成的混合開(kāi)關(guān)為EV牽引逆變器提供了性能與成本的理想平衡。DPTP平臺(tái)大幅簡(jiǎn)化了特性表征過(guò)程，能快速優(yōu)化控制策略。該混合方案在影響電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航的關(guān)鍵低/部分負(fù)載工況下提升能效，同時(shí)保持系統(tǒng)成本低于全SiC方案。未來(lái)研究將聚焦于完整駕駛循環(huán)模擬集成及實(shí)際工況下的熱模型優(yōu)化。

原文出處：混合SiC/IGBT逆變器能否成為電動(dòng)汽車(chē)的最優(yōu)解