尹 庚，何志志，李宗鑒

（1.湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410082;2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

碳化硅SiC（silicon carbide）作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，相比于傳統(tǒng)的Si 半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場高和導(dǎo)熱率大等特點(diǎn)，被認(rèn)為是制備高溫、高頻、大功率器件的理想材料之一。但是SiC 材料的生產(chǎn)工藝不成熟以及生產(chǎn)成本高[1]，阻礙了SiC 半導(dǎo)體器件的大規(guī)模應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]提出了SiC JFET 和Si IGBT 的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了SiC JFET、Si IGBT 的優(yōu)點(diǎn)，相對單獨(dú)的Si IGBT，開關(guān)損耗降低了70%，而成本并未大幅度增加；文獻(xiàn)[3-6]詳細(xì)分析了Si IGBT/SiC MOSFET 并聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部電流分配關(guān)系和動態(tài)開關(guān)過程；文獻(xiàn)[7-9]關(guān)注Si IGBT/SiC MOSFET 并聯(lián)結(jié)構(gòu)損耗和成本優(yōu)化問題，均未考慮Si/SiC 并聯(lián)結(jié)構(gòu)中兩種器件之間的溫度平衡問題。然而，功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，其工作過程中產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致器件老化甚至損壞[10-12]，因此有必要控制功率半導(dǎo)體器件溫度，以提高功率變換器的可靠性。到目前為止，大部分文獻(xiàn)提出的溫度控制方法都是適用于獨(dú)立的Si 功率器件或者SiC 功率器件，還沒有適用于Si/SiC 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的溫度控制方法。但在Si/SiC 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)損耗優(yōu)化過程中，小電流SiC MOSFET 容易出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，因此需要一種Si/SiC 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)主動溫度控制方法來有效解決小電流SiC MOSFET 溫度過高的問題。

因此，本文提出一種適用于Si IGBT/SiC MOSFET 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的主動結(jié)溫控制方法。首先分析了混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的工作原理及驅(qū)動時序，然后建立混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的損耗計算模型，分析關(guān)斷延時Toff_delay對混并聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部器件功率損耗分配的影響，基于損耗計算模型實(shí)現(xiàn)混并聯(lián)結(jié)構(gòu)溫度平衡。設(shè)計了開關(guān)頻率為20 kHz、功率為9 kW 的DC-DC Buck 變換器，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 Si/SiC 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)工作原理

Si/SiC 混并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，以大電流Si IGBT 為主器件、小電流SiC MOSFET 為輔助器件，組成Si IGBT/SiC MOSFET 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)?；觳⒙?lián)結(jié)構(gòu)結(jié)合了兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，在低電流等級時SiC MOSFET 導(dǎo)通大部分電流，而在高電流等級時Si IGBT 導(dǎo)通大部分電流，從而降低了器件的導(dǎo)通損耗。

圖1 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)拓?fù)銯ig.1 Topology of hybrid pair

雙極性Si IGBT 正向通流能力強(qiáng)，導(dǎo)通損耗小，但由于漂移區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，Si IGBT 在關(guān)斷過程中會產(chǎn)生拖尾電流，因而產(chǎn)生較大的關(guān)斷損耗。而屬于單極性器件的SiC MOSFET 具有開關(guān)速度快、無拖尾電流和開關(guān)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，因此在混并聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)斷時，可以采用特殊門極驅(qū)動時序，使IGBT ZVS 關(guān)斷而SiC MOSFET 硬關(guān)斷，從而減小器件總的開關(guān)損耗。混并聯(lián)結(jié)構(gòu)門極驅(qū)動時序如圖2 所示，Si IGBT 先關(guān)斷，而SiC MOSFET 延時一段時間后再關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)Si IGBT 的ZVS 關(guān)斷，減小器件損耗。

圖2 混并聯(lián)器件驅(qū)動時序Fig.2 Drive time-sequence of hybrid pair device

為詳細(xì)討論混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的特殊關(guān)斷模式對關(guān)斷損耗的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，本文采用1 200 V/25 A Si IGBT（IGW25N120H3）作為主器件、1 200 V/12.5 A SiC MOSFET（C2M0160120）作為輔助器件組成Si IGBT/SiC MOSFET 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)。圖3 為混合器件在關(guān)斷延時時間Toff_delay=0.8 μs、母線電壓為600 V、關(guān)斷電流為15 A 條件下的雙脈沖測試關(guān)斷波形，其中：SiC MOSFET 的門極驅(qū)動電壓為VGS_MOS、漏極電壓為VDS、電流為IMOS，Si IGBT 的電流為IIGBT、門極驅(qū)動電壓為VGS_IGBT。

由圖3 可以看到，在主器件Si IGBT 提前關(guān)斷后，由于SiC MOSFET 仍然導(dǎo)通，在感性負(fù)載下，由Si IGBT 導(dǎo)通的電流被強(qiáng)迫換流至SiC MOSFET，從而使IGBT 兩端電壓在關(guān)斷過程中被箝位于SiC MOSFET 的導(dǎo)通壓降。由于SiC MOSFET 導(dǎo)通損耗小，Si IGBT 近似于ZVS 關(guān)斷。而SiC MOSFET 在延時過程中導(dǎo)通了所有電流、并在延時結(jié)束后硬關(guān)斷。

圖3 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)斷過程Fig.3 Turn-off process of hybrid pair

2 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)損耗模型

Si IGBT/SiC MOSFET 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)斷模式的特殊性，使得混并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的兩個器件損耗分配變得很復(fù)雜，給混并聯(lián)結(jié)構(gòu)損耗的計算帶來了很大阻礙。功率器件Si IGBT/SiC MOSFET 官方數(shù)據(jù)手冊中一般會列出主要參數(shù)，利用這些參數(shù)可以計算出每一個器件在一個開關(guān)周期內(nèi)的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。但在混并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，由于其特殊開關(guān)模式的存在，傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件損耗計算方法不再適用，需要對混并聯(lián)結(jié)構(gòu)損耗進(jìn)行相應(yīng)的計算以及定義混并聯(lián)結(jié)構(gòu)損耗分布。

Si IGBT 的總損耗Etotal_IGBT分配為

式中：Eon_IGBT為開通損耗；Econd_IGBT為導(dǎo)通損耗；Eoff_IGBT為關(guān)斷損耗。

SiC MOSFET 的總損耗分配為

式中：Eon_MOS為開通損耗；Econd_MOS為導(dǎo)通損耗；Eoff_MOS為關(guān)斷損耗。

通過分析Si IGBT/SiC MOSFET 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)開關(guān)特性發(fā)現(xiàn)，由于SiC MOSFET 開通速度極快，在本文驅(qū)動模式下，Si IGBT 處于零電壓開通的工作狀態(tài)，因此混并聯(lián)結(jié)構(gòu)開通損耗只與SiC MOSFET有關(guān)。然而，在某一功率等級下，Si IGBT/SiC MOSFET 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)斷損耗以及導(dǎo)通損耗隨著關(guān)斷延時Toff_delay的變化而改變，因此本文著重分析不同的關(guān)斷延時Toff_delay下，混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的關(guān)斷損耗和導(dǎo)通損耗。

2.1 關(guān)斷損耗

由于Si IGBT 關(guān)斷過程存在拖尾電流，混并聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)斷過程不是獨(dú)立器件關(guān)斷過程。通過分析，混并聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)斷總損耗只與Toff_delay相關(guān)，且分為SiC MOSFET 關(guān)斷損耗Eoff_MOS和IGBT 關(guān)斷損耗Eoff_IGBT兩部分。通過官方數(shù)據(jù)手冊給出的數(shù)據(jù)結(jié)合雙脈沖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到Eoff_IGBT與Toff_delay近似為二次函數(shù)關(guān)系，Eoff_MOS與Toff_delay近似為一次函數(shù)關(guān)系，分別表示為

式中：IF為混并聯(lián)結(jié)構(gòu)正向電流；a、b、c、d、e、α、β 為雙脈沖實(shí)驗(yàn)提取參數(shù)。

2.2 導(dǎo)通損耗

混并聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)通后，因?yàn)閮煞N器件導(dǎo)通特性存在一定的差異，Si IGBT 和SiC MOSFET 按照一定的分配關(guān)系導(dǎo)通不同的電流，因此Si IGBT 和SiC MOSFET 的導(dǎo)通損耗也不相同。Si IGBT、SiC MOSFET 導(dǎo)通損耗分別表示為

式中：iIGBT為Si IGBT 的導(dǎo)通電流；VCE為Si IGBT 的導(dǎo)通壓降；VCE0為Si IGBT 的閾值電壓；K 為比例系數(shù)；iMOS為SiC MOSFET 的導(dǎo)通電流；Rds_on_MOS為SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻；iDS為混并聯(lián)結(jié)構(gòu)在關(guān)斷延時時間段通過SiC MOSFET 的正向電流。因此，混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的總損耗可以表示為

式中：D 為占空比；fsw為開關(guān)頻率。

2.3 仿真分析

從損耗模型可以看出，混并聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的功率損耗分配與Toff_delay有關(guān)。通過調(diào)節(jié)Toff_delay，混并聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損耗分配隨之改變，如圖4 所示，圖中，Ploss_IGBT_c和Ploss_MOS_c分別是基于損耗模型計算的Si IGBT 和SiC MOSFET 的功率損耗。

圖4 損耗模型計算功率損耗Fig.4 Calculated power loss based on the power loss model

當(dāng)混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的柵極關(guān)斷延時較小時，Si IGBT 的計算功率損耗較大，這是由于Si IGBT 的拖尾電流造成了大量損耗；當(dāng)混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的柵極關(guān)斷延遲時間較大時，SiC MOSFET 的計算功率損耗高于Si IGBT，這是由于SiC MOSFET 在柵極關(guān)斷延遲時間內(nèi)存在較大的額外單獨(dú)導(dǎo)通損耗。Si IGBT 的計算功率損耗隨柵極關(guān)斷延遲時間呈指數(shù)遞減，而SiC MOSFET 的功率損耗隨柵極關(guān)斷延遲時間呈線性遞增。因此，通過調(diào)節(jié)Toff_delay，能夠有效實(shí)現(xiàn)混并聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損耗分配。

3 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)主動溫度控制

混合器件在特殊的門極驅(qū)動時序下能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT 的ZVS 關(guān)斷，從而減小IGBT 的關(guān)斷損耗，然而，由于在圖2 所示的驅(qū)動時序下，SiC MOSFET 不但需要承擔(dān)大電流下的硬關(guān)斷損耗，還需要在延時Toff_delay下短時間內(nèi)導(dǎo)通器件全部電流，這有可能使SiC MOSFET 在大電流下承擔(dān)過多損耗從而使芯片面積小而熱阻大的SiC MOSFET 過熱。在穩(wěn)態(tài)下，器件結(jié)溫、殼溫和器件損耗的關(guān)系為

式中：Tj為器件結(jié)溫；Tc為器件殼溫；Ploss為器件的平均損耗；Rθjc為熱阻。顯然，器件結(jié)溫與器件損耗、熱阻以及殼溫相關(guān)，在器件損耗增大的情況下器件結(jié)溫增加。因此在混并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)輔助器件SiC MOSFET 損耗增加時，由于其芯片面積小、熱阻大，可能導(dǎo)致SiC MOSFET 結(jié)溫過高并影響到混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性。為此，有必要對Si IGBT/SiC MOSFET混并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度控制，即Si IGBT 和SiC MOSFET 二者溫度平衡，以提高混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性。

分析混并聯(lián)器件損耗可知，調(diào)節(jié)Toff_delay可以控制混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的損耗分配，實(shí)現(xiàn)混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的溫度平衡，達(dá)到減小混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的結(jié)溫波動、提高混并聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性的目的?；诨觳⒙?lián)結(jié)構(gòu)的損耗模型，本文提出一種適用于Si/SiC 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的主動溫度控制方法?；觳⒙?lián)結(jié)構(gòu)中，Si IGBT 與SiC MOSFET 結(jié)溫差值ΔTj定義為

式中：Tj_IGBT為Si IGBT 結(jié)溫；Tj_MOS為SiC MOSFET結(jié) 溫；Rθjc_IGBT為Si IGBT結(jié)到殼的熱阻；Rθjc_MOS為SiC MOSFET結(jié)到殼的熱阻；Tc_IGBT為Si IGBT 殼溫；Tc_MOS為SiC MOSFET 殼溫。設(shè)混并聯(lián)結(jié)構(gòu)中Si IGBT 和SiC MOSFET 二者殼溫相等，那么ΔTj可表示為

為實(shí)現(xiàn)混并聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部兩器件的殼溫平衡，設(shè)計如圖5 所示主動溫度控制框圖，其中反饋控制器采用PI 控制器，相應(yīng)算法在DSP TMS320F28335數(shù)字控制器上實(shí)現(xiàn)。將檢測到的Toff_delay、iDS、Tc_IGBT和Tc_MOS送入混并聯(lián)結(jié)構(gòu)損耗模型，得到Si IGBT 與SiC MOSFET 溫度差值ΔTc和混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的損耗Ploss；將ΔTc與其參考值ΔTc_ref對比得到誤差Tc_error；再與Ploss一并送入控制器，并輸出新的Toff_delay，對混并聯(lián)結(jié)構(gòu)損耗進(jìn)行重新分配。保證混并聯(lián)結(jié)構(gòu)中Si IGBT 和SiC MOSFET 溫度差值穩(wěn)定在目標(biāo)值，提高混并聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性。

圖5 主動溫度控制框圖Fig.5 Block diagram of active temperature control

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用1 200 V/25 A Si IGBT（型號為IGW25N 120H3）作為主器件、1 200 V/12.5 A SiC MOSFET（型號為C2M0160120 作為輔助器件組成Si IGBT/SiC MOSFET 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在DC-DC Buck 電路中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。用以實(shí)驗(yàn)測試的DC-DC Buck 電路如圖6 所示，開關(guān)頻率為20 kHz，輸入和輸出電壓分別為600 V 和300 V。

圖6 混并聯(lián)結(jié)構(gòu)Buck 電路Fig.6 Buck circuit based on hybrid pair

關(guān)斷延時時間設(shè)置為固定值Toff_delay=2.2 μs。主動溫度控制前實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)功率等級提升時，混并聯(lián)結(jié)構(gòu)中Si IGBT和SiC MOSFET 殼溫上升趨勢相同；在9 kW 時，SiC MOSFET 殼溫達(dá)到90 ℃，Si IGBT 殼溫在73 ℃左右，二者殼溫相差約17 ℃，估測結(jié)溫差值接近40 ℃。在重載情況下，結(jié)溫相差過大，極易使混并聯(lián)結(jié)構(gòu)達(dá)到其極限結(jié)溫，加速器件老化，嚴(yán)重降低了混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性。

圖7 主動溫度控制前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results without active temperature control

在同樣的測試條件下，增加主動溫度控制，使關(guān)斷延時時間Toff_delay動態(tài)變化，從而改變混并聯(lián)結(jié)構(gòu)中兩個器件的損耗分配，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可見，通過主動溫度控制，在負(fù)載變化時，兩器件殼溫始終相近；在9 kW 時，兩器件的最高殼溫比關(guān)斷延時為固定值Toff_delay=2.2 μs 時的低10℃；采用主動溫度控制后，兩器件結(jié)溫差值約為6 ℃（±3 ℃），比采用固定延時的降低了約34 ℃（±3 ℃），極大地減小了混并聯(lián)結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部兩器件結(jié)溫差異大帶來的器件過溫風(fēng)險，提升了器件運(yùn)行可靠性。

圖8 主動溫度控制后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results with active temperature control

5 結(jié)語

本文提出基于損耗模型的混并聯(lián)結(jié)構(gòu)主動溫度控制，旨在解決混并聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部兩器件運(yùn)行中結(jié)偏差過大，容易造成內(nèi)部器件大負(fù)載電流下過溫風(fēng)險，提高混并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性。該方法只改變混并聯(lián)結(jié)構(gòu)中Si IGBT 和SiC MOSFET 之間的關(guān)斷延時時間，使得兩種器件之間的損耗分配動態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)Si IGBT 和SiC MOSFET 溫度的主動控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用主動溫度控制后，兩器件結(jié)溫差值降低了34 ℃左右，極大地減小了混并聯(lián)結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部兩器件結(jié)溫差異大帶來的器件過溫風(fēng)險，提升了器件運(yùn)行可靠性。