混合功率器件動(dòng)態(tài)仿真分析及驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法

【摘" 要】文章針對(duì)SiC及IGBT混合并聯(lián)功率器件進(jìn)行仿真分析，研究混合功率器件動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性，通過(guò)優(yōu)化SiC及IGBT的控制方式降低開(kāi)關(guān)損耗，進(jìn)一步在控制方式上進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到更理想的動(dòng)態(tài)特性，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】SiC；IGBT；驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）02-0093-04

Dynamic Simulation Analysis and Driving Optimization Method for Hybrid Power Devices

XIE Donghua，JIN Changming

（Geely Automobile Research Institute（Ningbo）Co.，Ltd.，Ningbo 315336，China）

【Abstract】Simulate and analyze SiC and IGBT hybrid parallel power devices，study the dynamic switching characteristics of hybrid power devices，reduce switching losses by optimizing the control methods of SiC and IGBT，further optimize the control methods to achieve more ideal dynamic characteristics，and confirm through simulation verification.

【Key words】SiC；IGBT；drive control technology

0" 引言

當(dāng)今工業(yè)、汽車、航空等各個(gè)領(lǐng)域的電力電子設(shè)備中，IGBT作為電能轉(zhuǎn)換核心關(guān)鍵器件發(fā)揮著舉足輕重的作用，因其成熟的工藝及大電流、低功耗的特性，使其具備極佳的性價(jià)比。近年來(lái)，隨著SiC技術(shù)的成熟，因其寬禁帶優(yōu)勢(shì)帶來(lái)的高功率密度在各領(lǐng)域中得到了認(rèn)可及應(yīng)用，然而其成本始終高于IGBT。

混合SiC及IGBT的功率器件是相較于全I(xiàn)GBT、全SiC的折中方案，其通過(guò)IGBT與SiC的數(shù)量配比，降低SiC的使用量，通過(guò)靈活的控制策略來(lái)分別控制IGBT與SiC，以優(yōu)化性能及效率。

然而IGBT與SiC并聯(lián)電路的設(shè)計(jì)較復(fù)雜，需要優(yōu)化驅(qū)動(dòng)和控制策略，以發(fā)揮混合功率器件的優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)仿真分析混合SiC及IGBT的功率器件動(dòng)態(tài)特性，并在控制方式上進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到更理想的動(dòng)態(tài)控制效果。

1" 混合功率器件特性[1-2]

1.1" 導(dǎo)通特性

IGBT在高電流下呈現(xiàn)為雙極性，具有幾乎恒定的導(dǎo)通壓降，大電流下?lián)p耗較低，在大電流應(yīng)用中具備較高的可靠性，而SiC因其恒定導(dǎo)通內(nèi)阻，在低電流下展現(xiàn)出低功耗特性。

如圖1所示，在低電流下混合器件主要呈現(xiàn)SiC的低導(dǎo)通電阻特性，這意味著在輕載時(shí)，SiC的導(dǎo)通損耗較低，因?yàn)槠鋵?dǎo)通電阻遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的IGBT，這種特性使得混合器件在低電流應(yīng)用中非常有效，能顯著降低功率損耗，提升系統(tǒng)的整體效率。

當(dāng)電流增加到一定程度時(shí)，由于IGBT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，大部分電流從IGBT流過(guò)，使得混合器件的導(dǎo)通特性接近于IGBT，具有較低的導(dǎo)通壓降；在高電流應(yīng)用中，混合器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使其能夠保持較低的導(dǎo)通損耗，進(jìn)一步提升了其在高功率密度中的效率。

如圖2所示，通過(guò)合理分配IGBT與SiC數(shù)量進(jìn)行并聯(lián)可以發(fā)揮高電流IGBT恒壓特性以及低電流下SiC低導(dǎo)通阻抗特性，使得在寬功率范圍中實(shí)現(xiàn)較低的導(dǎo)通損耗；當(dāng)前IGBT與SiC的比例較多存在于1∶1、2∶1、3∶1之間，此范圍配比可以發(fā)揮混合器件在全負(fù)載電流范圍內(nèi)呈現(xiàn)正溫度系數(shù)，提升整體效率。

如圖3所示，可以將IGBT恒壓點(diǎn)作為界限，分為模式1的SiC工作模式及模式2的IGBT工作模式，進(jìn)行合理的驅(qū)動(dòng)控制模式切換，發(fā)揮器件的最佳工作性能，以提高整體功率密度。

工作模式的切換可根據(jù)負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行變換，通常通過(guò)檢測(cè)負(fù)載側(cè)扭矩和工作電流，確定當(dāng)前的工況類別，包括重載工況、勻速額定工況、輕載工況和再生制動(dòng)工況等。根據(jù)工況類別，確定混合功率器件的模式狀態(tài)。

1.2" 開(kāi)關(guān)特性

IGBT屬于雙極性器件，其在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中，因少子與多子的注入、存儲(chǔ)及復(fù)合過(guò)程，使得其在開(kāi)通過(guò)程中須經(jīng)歷電導(dǎo)調(diào)制進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，關(guān)斷過(guò)程中須經(jīng)歷存儲(chǔ)的少子與多子的復(fù)合過(guò)程，使得關(guān)斷過(guò)程中出現(xiàn)拖尾電流。而SiC作為單極性器件，不具備以上IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程，具備更快的開(kāi)關(guān)速度。對(duì)比圖4、圖5可知，SiC相較于IGBT具有更快的開(kāi)通速度及關(guān)斷速度，但其開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程中存在較高的di/dt與dv/dt，需在控制回路中進(jìn)行合理的參數(shù)配置，以降低電應(yīng)力。

2" 混合功率器件動(dòng)態(tài)仿真

2.1 雙脈沖仿真模型

雙脈沖測(cè)試是一種用于評(píng)估功率器件（如IGBT和SiC MOSFET）動(dòng)態(tài)電氣特性的測(cè)試方法。通過(guò)發(fā)送兩個(gè)脈沖信號(hào)并分析其響應(yīng)，雙脈沖測(cè)試能夠提供器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗和電壓尖峰等關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于器件的選型和優(yōu)化至關(guān)重要。

2.1.1" 脈沖信號(hào)的構(gòu)成

雙脈沖測(cè)試通過(guò)發(fā)送2個(gè)脈沖信號(hào)到待測(cè)器件，第1個(gè)脈沖用于使器件導(dǎo)通，第2個(gè)脈沖用于評(píng)估器件的關(guān)斷特性。這2個(gè)脈沖之間有一個(gè)短暫的時(shí)間間隔，以便觀察器件的響應(yīng)。

2.1.2" 響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量

在接收到第1個(gè)脈沖后，器件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)信號(hào)。在時(shí)間間隔結(jié)束前，第2個(gè)脈沖信號(hào)到來(lái)，器件再次產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。通過(guò)比較這2個(gè)響應(yīng)信號(hào)的差異，可以獲得器件的時(shí)間響應(yīng)特性、頻率響應(yīng)特性、線性和非線性特性等。

2.1.3" 關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量

1）開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。雙脈沖測(cè)試可以測(cè)量器件的開(kāi)通時(shí)間（上升時(shí)間）和關(guān)斷時(shí)間（下降時(shí)間），這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估器件的性能至關(guān)重要。

2）開(kāi)關(guān)損耗。通過(guò)分析器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電流和電壓波形，可以計(jì)算出開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)損耗是評(píng)估器件能效的重要指標(biāo)。

3）電壓尖峰。在器件關(guān)斷過(guò)程中，由于回路雜散電感的影響，會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。電壓尖峰的高度和持續(xù)時(shí)間直接影響器件的安全性和可靠性。

為了驗(yàn)證IGBT與SiC混合并聯(lián)動(dòng)態(tài)特性，搭建如圖6所示的雙脈沖仿真模型，其中IGBT選用英飛凌TO247單管IKY75N120CH3，SiC選用WolfSpeed TO247單管E3M0040120K。

2.1.4" 雙脈沖仿真的目的

1）評(píng)估器件的動(dòng)態(tài)電氣特性。雙脈沖仿真可以評(píng)估功率器件的動(dòng)態(tài)電氣特性，如開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗等。

2）驗(yàn)證器件的安全工作區(qū)。通過(guò)仿真，可以驗(yàn)證器件是否超出安全工作區(qū)，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。

2.1.5" 電路設(shè)計(jì)優(yōu)化

1）優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。雙脈沖仿真可以幫助優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)電阻的選擇和吸收電路的設(shè)置，以提高系統(tǒng)的整體性能。

2）減少實(shí)際應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)仿真分析，可以在實(shí)際應(yīng)用中減少由于電路設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致的器件損壞和系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)。

本仿真設(shè)定母線電壓為800V，針對(duì)半橋上管IGBT1與SiC1施加負(fù)壓使其關(guān)斷，針對(duì)半橋下管IGBT2與SiC2施加兩次脈沖觸發(fā)開(kāi)通及關(guān)斷，其中環(huán)路電感用以模擬系統(tǒng)整體的雜感參數(shù)，負(fù)載電感在半橋下管開(kāi)通時(shí)產(chǎn)生線性電流，半橋下管關(guān)斷時(shí)續(xù)流二極管維持負(fù)載電感電流。

2.2" 混合功率器件控制方式[3-4]

由于IGBT與SiC具有各自獨(dú)特的動(dòng)態(tài)特性，且各自在不同電流下的損耗各有差異，在實(shí)際應(yīng)用中須綜合考慮以上因素。

如圖7所示，在SiC與IGBT的驅(qū)動(dòng)波形之間設(shè)置延遲時(shí)間Delay，具有三種狀態(tài)。

1）狀態(tài)1。Delay=0，代表SiC與IGBT同時(shí)導(dǎo)通。

2）狀態(tài)2。Delaygt;0，代表SiC優(yōu)先于IGBT導(dǎo)通，滯后于IGBT關(guān)斷。

3）狀態(tài)3。Delaylt;0，代表SiC滯后于IGBT導(dǎo)通，優(yōu)先于IGBT關(guān)斷。

狀態(tài)1時(shí)，SiC與IGBT同時(shí)導(dǎo)通，電流在兩種器件上進(jìn)行自然均衡。狀態(tài)2時(shí)，SiC優(yōu)先開(kāi)通并承受小電流，工作于模式1，IGBT處于ZVS開(kāi)通，有效降低其導(dǎo)通損耗，并承受大電流；工作于模式2，關(guān)斷時(shí)與開(kāi)通情況相似不再贅述。狀態(tài)3時(shí)，IGBT優(yōu)先于SiC開(kāi)通，適用于大電流工況，避免SiC在大電流狀態(tài)下開(kāi)通，導(dǎo)致過(guò)應(yīng)力。關(guān)斷時(shí)與開(kāi)通情況相似不再贅述。

2.3" 仿真結(jié)果分析

通?？刂品绞綘顟B(tài)2可以充分發(fā)揮SiC與IGBT各自的優(yōu)勢(shì)，小電流下發(fā)揮SiC低阻低功耗的特性。通過(guò)IGBT延遲導(dǎo)通與提前關(guān)斷方式，使得IGBT實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通與關(guān)斷，能有效降低IGBT的開(kāi)通關(guān)斷損耗。本文針對(duì)狀態(tài)2進(jìn)行仿真分析。

如圖8所示，在電流低于30A時(shí)，主要由SiC進(jìn)行輸出，2.5μs后IGBT逐步導(dǎo)通，5.5μs后IGBT電流輸出占比越來(lái)越大。隨著時(shí)間推移，后期大電流主要通過(guò)IGBT輸出。如圖9所示，混合功率器件在第2次脈沖到來(lái)時(shí)，因SiC優(yōu)先于IGBT導(dǎo)通，且SiC開(kāi)關(guān)速度高于IGBT，使得SiC瞬間通入大電流，導(dǎo)致很高的di/dt。隨著IGBT的導(dǎo)通，SiC電流逐步降低，IGBT輸出電流逐漸增大，期間存在一段換流時(shí)間。換流時(shí)間內(nèi)，SiC承受較大的電流沖擊，功耗增大，器件溫升隨之增大，由此會(huì)降低SiC的可靠性?？梢酝ㄟ^(guò)換流時(shí)間的優(yōu)化來(lái)降低SiC承受電流沖擊時(shí)間，以此平衡器件的損耗及溫升。

3" 驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法及驗(yàn)證

3.1" 混合功率器件控制方式優(yōu)化

如圖10所示，通過(guò)在換流期間對(duì)SiC增加一段shutdown時(shí)間，此時(shí)間將短暫關(guān)閉SiC，預(yù)期在這段時(shí)間內(nèi)將大電流快速流入IGBT，使得IGBT與SiC電流切換時(shí)間變短，以此可以降低SiC的功耗及熱損。

基于圖9可測(cè)得換流時(shí)間在0.5μs，設(shè)定仿真模型中shutdown時(shí)間值為0.25μs，并在換流時(shí)間內(nèi)執(zhí)行SiC的關(guān)斷。

3.2" 仿真結(jié)果分析

由圖11可知，在shutdown為0.25μs時(shí)間內(nèi)，SiC電流迅速跌落，IGBT電流隨之迅速增大，SiC與IGBT的換流時(shí)間大大降低，僅為0.1μs，IGBT在開(kāi)啟后的0.1μs時(shí)間內(nèi)迅速通過(guò)大電流，發(fā)揮了其通流能力大、相對(duì)損耗低的特性。經(jīng)過(guò)shutdown時(shí)間后，SiC再次開(kāi)啟，SiC電流逐步加大并逐步達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。

可見(jiàn)，通過(guò)此方式，可以加快器件換流，使得IGBT與SiC迅速進(jìn)入最佳工況，優(yōu)化了動(dòng)態(tài)損耗。

同樣由圖11可知，在shutdown期間，IGBT與SiC同時(shí)經(jīng)歷了一段高di/dt及dv/dt，在實(shí)際應(yīng)用中需要合理調(diào)配驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)以及環(huán)路雜感參數(shù)，來(lái)降低此階段帶來(lái)的大應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)，降低器件之間的控制信號(hào)串?dāng)_及擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

4" 結(jié)論

本文針對(duì)IGBT與SiC導(dǎo)通特性及開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行分析，并基于實(shí)際物理器件模型搭建了混合功率器件雙脈沖測(cè)試仿真模型?；贗GBT與SiC開(kāi)關(guān)特性設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)控制方式，并進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步優(yōu)化控制方式，優(yōu)化IGBT與SiC的換流時(shí)間，以此降低開(kāi)關(guān)損耗，最大程度發(fā)揮IGBT與SiC的性能優(yōu)勢(shì)。

然而在混合功率器件的應(yīng)用中尚存大量的驅(qū)動(dòng)控制方法需要優(yōu)化，如：通過(guò)負(fù)載狀態(tài)檢測(cè)來(lái)實(shí)時(shí)切換開(kāi)關(guān)模式的方法、混合功率器件的過(guò)流保護(hù)機(jī)制、混合器件的熱均衡控制方式等，隨著混合功率器件的普遍應(yīng)用會(huì)得到攻克，以此有效提升混合器件的驅(qū)動(dòng)控制性能，確保其在各種工況下的穩(wěn)定運(yùn)行和高效能。

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2024-11-08

作者簡(jiǎn)介：謝冬華（1987—），男，工程師，碩士，主要從事乘用車動(dòng)力系統(tǒng)電控研發(fā)設(shè)計(jì)工作。