馬小亮

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180）（原名——天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所）

混合模塊及其應(yīng)用

馬小亮

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180）（原名——天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所）

SiC器件是下一代電力電子器件，目前價(jià)高難推廣應(yīng)用，在器件換代過(guò)渡期為增大功率及降低成本推出Si和SiC混合模塊是現(xiàn)實(shí)的解決方案。除價(jià)格因素外，SiC器件的高開關(guān)速度導(dǎo)致開關(guān)過(guò)程電壓和電流大幅振蕩，也為應(yīng)用帶來(lái)很大困難，混合模塊有助于克服這困難。介紹兩種Si和SiC混合模塊的應(yīng)用：硅IGBT和碳化硅BCD混合模塊及硅IGBT和碳化硅MOSFET混合模塊。另外，還介紹全硅IGBT和MOSFET混合模塊的應(yīng)用，它也能獲得Si-IGBT+SiC-MOSFET模塊的許多好處。

Si和SiC混合模塊；硅IGBT和碳化硅BCD混合模塊；硅IGBT和碳化硅MOSFET混合模塊；全硅IGBT和MOSFET混合模塊

變頻器的更新?lián)Q代取決于電力電子器件的換代；電力電子器件的換代取決于半導(dǎo)體材料的換代。20世紀(jì)60年代實(shí)現(xiàn)了從鍺材料到硅（Si）材料的換代，迎來(lái)半個(gè)世紀(jì)電力電子技術(shù)大發(fā)展?，F(xiàn)有各種器件都基于硅材料，其性能已接近材料極限，近20年來(lái)未能出現(xiàn)新的換代。

下一代半導(dǎo)體材料是寬禁帶材料，有前途的兩種是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）），都是化合物材料。SiC和GaN器件的特點(diǎn)：高阻斷電壓，高開關(guān)速度（降低開關(guān)損耗及提高開關(guān)頻率），高結(jié)溫，可造出更高電壓、更大功率，更高效率及更小體積裝置。人們對(duì)SiC和GaN器件的期望很高，投入大量資金和人力，由于材料生產(chǎn)工藝不過(guò)關(guān)，20多年來(lái)進(jìn)展不大，近期取得突破，大量樣機(jī)問(wèn)世，估計(jì)2020年后能占有較大市場(chǎng)份額。

GaN器件適合用于低功率、低電壓（器件電壓≤600 V）、高頻率場(chǎng)合，它如果使用硅作為襯底，能獲得大直徑晶片，成本較低。SiC器件適合用于高功率、高電壓場(chǎng)合（器件電壓可達(dá)幾千V），本文只涉及它。

SiC器件目前價(jià)高，很難快速推廣應(yīng)用，在器件換代過(guò)渡期，為增大器件功率及降低成本，推出Si和SiC混合模塊，可能是現(xiàn)實(shí)的解決方案。除價(jià)格因素外，SiC器件的高開關(guān)速度也為應(yīng)用帶來(lái)很大困難，高dv/dt和高di/dt導(dǎo)致開關(guān)過(guò)程電壓和電流大幅振蕩見圖1，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞器件，要求回路寄生電感（電容、母線及模塊引線）盡可能小，混合模塊有助于克服該困難。從圖1可看見SiC-MOSFET的振蕩嚴(yán)重。

圖1　1 200 V/100 A/2單元SiC-MOSFET 和Si-IGBT開關(guān)過(guò)程波形［1］Fig.1　Turn-on and turn-off waveforms of SiC-MOSFET and Si-IGBT（1 200 V/100 A/2U）

本文先介紹Si和SiC混合模塊（Si+SiC）的應(yīng)用：第1節(jié)介紹硅IGBT和碳化硅肖特基二極管混合模塊（Si-IGBT+SiC-SBD）；第2節(jié)介紹硅IGBT和碳化硅MOSFET混合模塊（Si-IGBT+SiC-MOSFET）。把Si-IGBT+SiC-MOSFET混合模塊中的MOSFET換成廉價(jià)的傳統(tǒng)硅器件（Si-MOSFET），構(gòu)成全硅IGBT和MOSFET混合模塊（全硅IGBT+ MOSFET），也能獲得Si-IGBT+SiC-MOSFET模塊的許多好處，第3節(jié)介紹它的應(yīng)用。

1　Si-IGBT+SiC-SBD混合模塊

碳化硅肖特基二極管（SiC-SBD）是SiC器件中最成熟及價(jià)亷的器件，因此它是SiC器件中應(yīng)用最早和最多的器件。

逆變器相支路（leg）有上下兩臂（arm），每臂由1個(gè)可控開關(guān)器件（例如IGBT）和1個(gè)反向續(xù)流二極管構(gòu)成見圖2。若支路輸出正向電流，上臂開通前下臂二極管續(xù)流，則在上臂開通時(shí)上器件的開通損耗及下器件的恢復(fù)損耗都取決于下臂二極管的反向恢復(fù)特性。與Si快恢復(fù)二極管相比，SiC-SBD反向恢復(fù)快，恢復(fù)電流非常?。◣缀鯖](méi)有），用它作常規(guī)Si-IGBT的反并聯(lián)續(xù)流二極管，可大幅降低器件的開通損耗和恢復(fù)損耗。SiC-SBD在國(guó)產(chǎn)光伏逆變器中已使用，效果好。盼將二者封裝在一起，提供混合模塊產(chǎn)品。

圖2　1 600 V/400 A/2單元Si-IGBT+SiC-SBD混和模塊Fig.2　Si-IGBT+SiC-SBD hybrid module（1600 V/400 A/2U）

日本富士公司推出1600 V/400 A/2單元Si-IGBT+SiC-SBD混和模塊，見圖2［2］，用于690 V逆變器。與全Si模塊相比，Si-IGBT+SiC-SBD混后模塊降低恢復(fù)損耗83%，降低開通損耗38%，恢復(fù)和開通波形及損耗［2］見圖3。

圖3　全Si模塊和混合模塊恢復(fù)和開通波形及損耗Fig.3　Recovery and turn-on waveforms and loss of all Si module and hybrid module

日立公司推出3 300 V/1 200 A/1單元Si-IGBT+SiC-SBD混合模塊［3］，用于4×150 kW牽引傳動(dòng)逆變器，直流母線電壓Vdc=1 500 V。與傳統(tǒng)全Si模塊相比，混合模塊損耗降低35%，模塊尺寸減小1/3，逆變器尺寸和重量減小40%。模塊損耗圖見圖4。模塊和裝置外形圖見圖5。

圖4　模塊損耗Fig.4　Module loss

圖5　模塊和裝置外形圖Fig.5　Outlines of module and device

2　Si-IGBT+SiC-MOSFET混合模塊

Si-IGBT和SiC-MOSFET并聯(lián)的混合模塊想法由美國(guó)提出［4］，擬用于光伏和風(fēng)能發(fā)電逆變器，進(jìn)行了仿真研究。除增大器件功率及降低成本外，它還讓SiC-MOSFET先通后斷，使Si-IGBT零電壓通斷，減小開關(guān)損耗。400 A/1.2 kV（1× 100 A SiC-MOSFET與3×100 A Si-IGBT并聯(lián)）之SiC-MOSFET+Si-IGBT混合模塊的電路及開關(guān)時(shí)序見圖6。

圖6　混和模塊的電路及開關(guān)時(shí)序Fig.6　Circuit and switching sequence of hybrid module

采用這種模塊的250 kW中點(diǎn)鉗位三電平光伏逆變器效率＞97%，比全用Si-IGBT模塊提高1.2%～2%［4］，見圖7。

圖7　250 kW光伏逆變器效率Fig.7　Efficiency of 250 kW PV inverter

筆者認(rèn)為，圖6中的Si-IGBT開通滯后無(wú)必要，因?yàn)镾iC-MOSFET的開通比它快得多，無(wú)此滯后Si-IGBT同樣近似零電壓開通，在其它文獻(xiàn)中多無(wú)此滯后。

ABB公司制出Si-IGBT（1 200 V/25 A）+SiCMOSFET（1 200 V/30 A）混合模塊（50 A）樣品，并完成測(cè)試［5］。ABB混合模塊中的IGBT和MOSFET門極用同一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，無(wú)圖6中之開通和關(guān)斷滯后環(huán)節(jié)。該混合模塊除了增大器件功率及降低成本外，它還有下述特點(diǎn)。

1）降低通態(tài)壓降和通態(tài)損耗。IGBT是雙極器件，它的通態(tài)特性與二極管類似，用門檻電壓+小動(dòng)態(tài)電阻表征，MOSFET是單極器件，它的通態(tài)特性用電阻表征，電流小時(shí)MOSFET比IGBT通態(tài)壓降小，電流大時(shí)IGBT比MOSFET通態(tài)壓降小，二者并聯(lián)的混合開關(guān)在小電流時(shí)電流主要流過(guò)MOSFET、大電流主要流過(guò)IGBT，從而降低導(dǎo)通壓降和通態(tài)損耗，見圖8a。與2個(gè)并聯(lián)的Si-IGBT和SiC-MOSFET相比，混和模塊壓降介于二者之間，見圖8b。逆變器電流是正弦電流，時(shí)小時(shí)大，效果明顯。

圖8　IGBT，MOSFET和混合模塊導(dǎo)通壓降Fig.8　Forward-conduction voltage drop characteristic of IGBT，MOSFET and hybrid module

2）關(guān)斷過(guò)程。IGBT的關(guān)斷損耗由其拖尾電流產(chǎn)生，占總開關(guān)損耗中大部分。MOSFET無(wú)拖尾電流，關(guān)斷快且損耗小，但高dv/dt和高di/dt導(dǎo)致電壓、電流大幅振蕩?；旌夏K利用MOSFET快速關(guān)斷能力減小IGBT拖尾電流產(chǎn)生的損耗，又利用拖尾電流抑制MOSFET快速關(guān)斷導(dǎo)致的電壓、電流振蕩和過(guò)壓幅值，見圖9a。混合模塊的關(guān)斷時(shí)間和損耗介于2個(gè)并聯(lián)的Si-IGBT和SiC-MOSFET之間，見圖9b。

圖9　IGBT，MOSFET和混合模塊關(guān)斷波形及損耗Fig.9　Turn-off waveforms and loss of IGBT，MOSFET and hybrid module

3）開通過(guò)程。由于SiC-MOSFET比Si-IGBT開通快及兩器件門極用同一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，開通之初電流主要流過(guò)MOSFET，IGBT在較小電流及較低電壓下開通?；旌夏K的開通損耗主要取決于相支路另一臂反向續(xù)流二極管的恢復(fù)特性，采用SiC-BCD時(shí)該開通損耗很小，開通波形見圖10。

圖10　混合模塊開通波形Fig.10　Turn-on waveforms

4）改善短路保護(hù)性能。單極器件MOSFFET的短路電流承受能力不如雙極器件IGBT，混合模塊借助雙極器件改善了短路保護(hù)性能，短路保護(hù)波形見圖11。測(cè)試時(shí)混合模塊重復(fù)短路試驗(yàn)通過(guò)。

圖11　IGBT，MOSFET和混合模塊短路保護(hù)波形Fig.11　Short-circuit protection characteristic of IGBT，MOSFET and hybrid modul

3　全硅IGBT+MOSFET混合模塊的應(yīng)用

把Si-IGBT+SiC-MOSFET混合模塊中的MOSFET換成廉價(jià)的傳統(tǒng)硅器件（Si-MOSFET），構(gòu)成全硅IGBT和MOSFET混合模塊（全硅IGBT+MOSFET），也能獲得通態(tài)壓降小及開關(guān)損耗小的好處。

與Si-IGBT+SiC-MOSFET混合模塊不同，但由于硅MOSFET器件內(nèi)存在1個(gè)慢速反向體二極管，不能直接把該全硅混合模塊用于逆變器相支路。以圖2所示相支路為例，若原狀態(tài)為下臂開關(guān)導(dǎo)通及負(fù)載電流為正，電流經(jīng)下臂續(xù)流二極管和MOSFET反向體二極管流過(guò)，在轉(zhuǎn)換為下臂關(guān)斷及上臂導(dǎo)通時(shí)，由于體二極管恢復(fù)慢，導(dǎo)致上臂開關(guān)器件過(guò)流。有2個(gè)解決辦法［6］。

1）硬開關(guān)模式——加裝1個(gè)與MOSFET串聯(lián)的低壓肖特基二極管，阻止反向電流流過(guò)，見圖12。它的不足是增加通態(tài)壓降。

圖12　硬開關(guān)相支路Fig.12　Hard-switching phase leg

2）零電壓軟開關(guān)（ZVS）模式——相支路不增加器件，甚至在MOSFET體二極管夠大時(shí)取消IGBT的反并聯(lián)續(xù)流二極管，因?yàn)樵谏媳坶_關(guān)S1導(dǎo)通前，已經(jīng)通過(guò)諧振電路把原流過(guò)下臂二極管的電流轉(zhuǎn)移到上臂二極管，見圖13（其中iRES是諧振電流，CS是諧振電容）。它的不足是軟開關(guān)需增加諧振電路及其損耗。

圖13　軟開關(guān)相支路Fig.13　Soft-switching phase leg

美國(guó)弗吉尼亞理工學(xué)院把全硅IGBT+MOSFET混合開關(guān)和ZVS技術(shù)用于55 kW牽引驅(qū)動(dòng)［7-8］，逆變器主電路見圖14。圖14中，混合模塊里的續(xù)流二極管是MOSFET的體二極管，無(wú)需外加；ZVS的諧振電路由輔助開關(guān)Sx1～6、耦合電抗器Lr1～6及電容C1～6構(gòu)成。

圖14　逆變器主電路Fig.14　Inverter main circuit

該裝置經(jīng)美國(guó)著名的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，用卡路里檢測(cè)裝置測(cè)總損耗，逆變器效率非常高，達(dá)99%，見圖15，結(jié)果可信。在總損耗中，磁性元件損耗占11%，輔助電源（門極驅(qū)動(dòng)、控制及冷卻等）損耗占7%。

圖15　3種直流母線電壓的逆變效率Fig.15　Inverter efficiency for 3 DC-bus-voltage

兩室卡路里檢測(cè)裝置見圖16［8］，它有2個(gè)隔熱室——主室和參照室，主室中放被測(cè)逆變器，參照室放裝有電加熱器的保溫箱，冷卻介質(zhì)流過(guò)逆變器和保溫箱，溫度穩(wěn)定后根據(jù)兩室溫升和加熱器功率Pheate算出逆變器損耗Ploss：用此裝置測(cè)出的損耗是總損耗，除主電路損耗外，還有輔助電路、冷卻及諧波等損耗。

圖16　兩室卡路里檢測(cè)裝置Fig.16　Two-chamber calorimeter setup

4　結(jié)論

SiC器件是下一代電力電子器件，目前價(jià)高難推廣應(yīng)用，在器件換代過(guò)渡期為增大功率及降低成本推出Si和SiC混合模塊是現(xiàn)實(shí)的解決方案。除價(jià)格因素外，SiC器件的高開關(guān)速度導(dǎo)致開關(guān)過(guò)程電壓和電流大幅振蕩，也為應(yīng)用帶來(lái)很大困難，混合模塊有助于克服這困難。

碳化硅肖特基二極管（SiC-SBD）是SiC器件中最成熟、價(jià)亷及應(yīng)用最早和最多的器件。它反向恢復(fù)快，恢復(fù)電流非常小，用它作常規(guī)Si-IGBT的續(xù)流二極管，可降低器件損耗及裝置體積和重量1/3左右，已有將二者封裝在一起的混合模塊產(chǎn)品。

Si-IGBT和SiC-MOSFET并聯(lián)的混合模塊（Si-IGBT+SiC-MOSFET）除降低成本外，還具有通態(tài)壓降及開關(guān)損耗小的好處，并能借助IGBT拖尾電流抑制振蕩。ABB公司已制出1200V/50 A樣品。

把Si-IGBT+SiC-MOSFET混合模塊中的MOSFET換成傳統(tǒng)硅器件，構(gòu)成全硅IGBT和MOSFET混合模塊（全硅IGBT+MOSFET），也能獲得通態(tài)壓降及開關(guān)損耗小的好處。但因硅MOSFET內(nèi)存在1個(gè)慢速反向體二極管，不能直接將它用于逆變器相支路，采取補(bǔ)救措施。弗吉尼亞理工學(xué)院把該混合開關(guān)和ZVS技術(shù)用于55 kW牽引驅(qū)動(dòng)，逆變器效率＞99%。

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Hybrid Modules and Their Applications

MA Xiaoliang
（Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）
（Former Name—Tianjin Design&Research Institute of Electrical Drive）

SiC devices are the next generation power electronic devices，but they are difficult to be employed in applications owing to high cost.Developing Si+SiC hybrid modules is a reasonable solution for reducing cost and increasing power rating of the devices in the period of changing device generation.Besides cost，high turn-on and turn-off speed，which cause serious voltage and current oscillation，bring difficulty to applications as well.The hybrid modules may help one to solve the difficulty.There were two kinds of Si+SiC hybrid modules，Si-IGBT+SiC-BCD hybridmoduleandSi-IGBT+SiC-MOSFEThybridmodule，andtheirapplicationswereintroduced.Additionallyall-Silicon IGBT+MOSFET hybrid module was introduced also，it may have many benefits of Si-IGBT+SiC-MOSFET module.

Si+SiC hybrid module；Si-IGBT+SiC-BCD hybrid module；Si-IGBT+SiC-MOSFET hybrid module；All-Silicon IGBT+MOSFET hybrid module

TM23

A

2015-09-29

馬小亮（1939-），男，教授級(jí)高工，博士生導(dǎo)師，Email：xlm_td@sina.com