混合SiC/IGBT逆變器是電動汽車的最優(yōu)解，性能動態(tài)復(fù)雜化

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

相比之下，基于SiC的逆變器雖具有更低開關(guān)損耗和更高效率，但其制造成本較高且依賴先進工藝?；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，從而在低負載和部分負載工況下優(yōu)化性能，同時控制系統(tǒng)成本。

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

盡管預(yù)計未來五年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不確定性?；旌祥_關(guān)技術(shù)作為極具吸引力的折中方案，既能發(fā)揮SiC在中低負載下的優(yōu)勢，又可保留IGBT在大電流工況下的可靠性。

混合開關(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)計嚴謹?shù)臇艠O控制策略，這增加了系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度。提出的控制策略要求SiC器件略早于IGBT開啟并稍晚關(guān)閉，這種時序優(yōu)化可顯著降低開關(guān)損耗，提升逆變器整體效率。

現(xiàn)有實驗多聚焦于單器件小型原型，但實際應(yīng)用(如車用牽引逆變器)需多器件并聯(lián)，這使控制與性能動態(tài)復(fù)雜化。例如，當并聯(lián)IGBT間時序未精確優(yōu)化時，其高輸出電容會嚴重影響開關(guān)特性。

雙脈沖測試平臺方案

針對這些挑戰(zhàn)，團隊開發(fā)了新型雙脈沖測試平臺(DPTP)。該平臺采用專為多器件并聯(lián)評估設(shè)計的T-PAK封裝，可便捷集成測試牽引逆變器混合開關(guān)。

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

DPTP采用低寄生電感母線設(shè)計，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等特征。其模塊化結(jié)構(gòu)簡化了特性表征流程，優(yōu)化了開關(guān)參數(shù)識別。

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可快速表征混合開關(guān)，精準確定最佳開關(guān)時序，提取關(guān)鍵開關(guān)參數(shù)。

測試流程通過納秒級高分辨率延時設(shè)置微調(diào)SiC與IGBT的開關(guān)時序，包括電容預(yù)充電、微控制器門極信號調(diào)控、波形采集及Python數(shù)據(jù)處理，能快速提取不同電流負載下的開關(guān)能量等核心指標。DPTP方法學還補償了電容放電導(dǎo)致的電壓跌落，確保測量精度(參數(shù)詳見表1)。

實驗結(jié)果

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

當電流低于300A時，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序以維持熱安全裕度。

熱分析

基于器件手冊參數(shù)和全球輕型車測試規(guī)程建立的詳細熱模型證實：SiC結(jié)溫升始終處于安全限值內(nèi)(最高ΔTj為35℃)，驗證了動態(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平臺大幅簡化了特性表征過程，能快速優(yōu)化控制策略。該混合方案在影響電動車續(xù)航的關(guān)鍵低/部分負載工況下提升能效，同時保持系統(tǒng)成本低于全SiC方案。未來研究將聚焦于完整駕駛循環(huán)模擬集成及實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汽車的最優(yōu)解