混合功率器件動態仿真分析及驅動優化方法

【摘" 要】文章針對SiC及IGBT混合并聯功率器件進行仿真分析，研究混合功率器件動態開關特性，通過優化SiC及IGBT的控制方式降低開關損耗，進一步在控制方式上進行優化，達到更理想的動態特性，并進行仿真驗證。

【關鍵詞】SiC；IGBT；驅動控制技術

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：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

當今工業、汽車、航空等各個領域的電力電子設備中，IGBT作為電能轉換核心關鍵器件發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比。近年來，隨著SiC技術的成熟，因其寬禁帶優勢帶來的高功率密度在各領域中得到了認可及應用，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IGBT、全SiC的折中方案，其通過IGBT與SiC的數量配比，降低SiC的使用量，通過靈活的控制策略來分別控制IGBT與SiC，以優化性能及效率。

然而IGBT與SiC并聯電路的設計較復雜，需要優化驅動和控制策略，以發揮混合功率器件的優勢。本文通過仿真分析混合SiC及IGBT的功率器件動態特性，并在控制方式上進行優化，以達到更理想的動態控制效果。

1" 混合功率器件特性[1-2]

1.1" 導通特性

IGBT在高電流下呈現為雙極性，具有幾乎恒定的導通壓降，大電流下損耗較低，在大電流應用中具備較高的可靠性，而SiC因其恒定導通內阻，在低電流下展現出低功耗特性。

如圖1所示，在低電流下混合器件主要呈現SiC的低導通電阻特性，這意味著在輕載時，SiC的導通損耗較低，因為其導通電阻遠低于傳統的IGBT，這種特性使得混合器件在低電流應用中非常有效，能顯著降低功率損耗，提升系統的整體效率。

當電流增加到一定程度時，由于IGBT的電導調制效應，大部分電流從IGBT流過，使得混合器件的導通特性接近于IGBT，具有較低的導通壓降；在高電流應用中，混合器件的電導調制效應使其能夠保持較低的導通損耗，進一步提升了其在高功率密度中的效率。

如圖2所示，通過合理分配IGBT與SiC數量進行并聯可以發揮高電流IGBT恒壓特性以及低電流下SiC低導通阻抗特性，使得在寬功率范圍中實現較低的導通損耗；當前IGBT與SiC的比例較多存在于1∶1、2∶1、3∶1之間，此范圍配比可以發揮混合器件在全負載電流范圍內呈現正溫度系數，提升整體效率。

如圖3所示，可以將IGBT恒壓點作為界限，分為模式1的SiC工作模式及模式2的IGBT工作模式，進行合理的驅動控制模式切換，發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負載狀態進行變換，通常通過檢測負載側扭矩和工作電流，確定當前的工況類別，包括重載工況、勻速額定工況、輕載工況和再生制動工況等。根據工況類別，確定混合功率器件的模式狀態。

1.2" 開關特性

IGBT屬于雙極性器件，其在開通與關斷過程中，因少子與多子的注入、存儲及復合過程，使得其在開通過程中須經歷電導調制進入導通狀態，關斷過程中須經歷存儲的少子與多子的復合過程，使得關斷過程中出現拖尾電流。而SiC作為單極性器件，不具備以上IGBT開關過程，具備更快的開關速度。對比圖4、圖5可知，SiC相較于IGBT具有更快的開通速度及關斷速度，但其開通關斷過程中存在較高的di/dt與dv/dt，需在控制回路中進行合理的參數配置，以降低電應力。

2" 混合功率器件動態仿真

2.1 雙脈沖仿真模型

雙脈沖測試是一種用于評估功率器件（如IGBT和SiC MOSFET）動態電氣特性的測試方法。通過發送兩個脈沖信號并分析其響應，雙脈沖測試能夠提供器件的開關時間、開關損耗和電壓尖峰等關鍵參數，對于器件的選型和優化至關重要。

2.1.1" 脈沖信號的構成

雙脈沖測試通過發送2個脈沖信號到待測器件，第1個脈沖用于使器件導通，第2個脈沖用于評估器件的關斷特性。這2個脈沖之間有一個短暫的時間間隔，以便觀察器件的響應。

2.1.2" 響應信號的測量

在接收到第1個脈沖后，器件會產生一個響應信號。在時間間隔結束前，第2個脈沖信號到來，器件再次產生響應信號。通過比較這2個響應信號的差異，可以獲得器件的時間響應特性、頻率響應特性、線性和非線性特性等。

2.1.3" 關鍵參數的測量

1）開通時間和關斷時間。雙脈沖測試可以測量器件的開通時間（上升時間）和關斷時間（下降時間），這些參數對于評估器件的性能至關重要。

2）開關損耗。通過分析器件在開關過程中的電流和電壓波形，可以計算出開關損耗。開關損耗是評估器件能效的重要指標。

3）電壓尖峰。在器件關斷過程中，由于回路雜散電感的影響，會產生電壓尖峰。電壓尖峰的高度和持續時間直接影響器件的安全性和可靠性。

為了驗證IGBT與SiC混合并聯動態特性，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）評估器件的動態電氣特性。雙脈沖仿真可以評估功率器件的動態電氣特性，如開通時間、關斷時間和開關損耗等。

2）驗證器件的安全工作區。通過仿真，可以驗證器件是否超出安全工作區，確保其在實際應用中的可靠性。

2.1.5" 電路設計優化

1）優化驅動電路設計。雙脈沖仿真可以幫助優化驅動電路的設計，包括驅動電阻的選擇和吸收電路的設置，以提高系統的整體性能。

2）減少實際應用中的風險。通過仿真分析，可以在實際應用中減少由于電路設計不當導致的器件損壞和系統失效的風險。

本仿真設定母線電壓為800V，針對半橋上管IGBT1與SiC1施加負壓使其關斷，針對半橋下管IGBT2與SiC2施加兩次脈沖觸發開通及關斷，其中環路電感用以模擬系統整體的雜感參數，負載電感在半橋下管開通時產生線性電流，半橋下管關斷時續流二極管維持負載電感電流。

2.2" 混合功率器件控制方式[3-4]

由于IGBT與SiC具有各自獨特的動態特性，且各自在不同電流下的損耗各有差異，在實際應用中須綜合考慮以上因素。

如圖7所示，在SiC與IGBT的驅動波形之間設置延遲時間Delay，具有三種狀態。

1）狀態1。Delay=0，代表SiC與IGBT同時導通。

2）狀態2。Delaygt;0，代表SiC優先于IGBT導通，滯后于IGBT關斷。

3）狀態3。Delaylt;0，代表SiC滯后于IGBT導通，優先于IGBT關斷。

狀態1時，SiC與IGBT同時導通，電流在兩種器件上進行自然均衡。狀態2時，SiC優先開通并承受小電流，工作于模式1，IGBT處于ZVS開通，有效降低其導通損耗，并承受大電流；工作于模式2，關斷時與開通情況相似不再贅述。狀態3時，IGBT優先于SiC開通，適用于大電流工況，避免SiC在大電流狀態下開通，導致過應力。關斷時與開通情況相似不再贅述。

2.3" 仿真結果分析

通常控制方式狀態2可以充分發揮SiC與IGBT各自的優勢，小電流下發揮SiC低阻低功耗的特性。通過IGBT延遲導通與提前關斷方式，使得IGBT實現了ZVS開通與關斷，能有效降低IGBT的開通關斷損耗。本文針對狀態2進行仿真分析。

如圖8所示，在電流低于30A時，主要由SiC進行輸出，2.5μs后IGBT逐步導通，5.5μs后IGBT電流輸出占比越來越大。隨著時間推移，后期大電流主要通過IGBT輸出。如圖9所示，混合功率器件在第2次脈沖到來時，因SiC優先于IGBT導通，且SiC開關速度高于IGBT，使得SiC瞬間通入大電流，導致很高的di/dt。隨著IGBT的導通，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間。換流時間內，SiC承受較大的電流沖擊，功耗增大，器件溫升隨之增大，由此會降低SiC的可靠性。可以通過換流時間的優化來降低SiC承受電流沖擊時間，以此平衡器件的損耗及溫升。

3" 驅動優化方法及驗證

3.1" 混合功率器件控制方式優化

如圖10所示，通過在換流期間對SiC增加一段shutdown時間，此時間將短暫關閉SiC，預期在這段時間內將大電流快速流入IGBT，使得IGBT與SiC電流切換時間變短，以此可以降低SiC的功耗及熱損。

基于圖9可測得換流時間在0.5μs，設定仿真模型中shutdown時間值為0.25μs，并在換流時間內執行SiC的關斷。

3.2" 仿真結果分析

由圖11可知，在shutdown為0.25μs時間內，SiC電流迅速跌落，IGBT電流隨之迅速增大，SiC與IGBT的換流時間大大降低，僅為0.1μs，IGBT在開啟后的0.1μs時間內迅速通過大電流，發揮了其通流能力大、相對損耗低的特性。經過shutdown時間后，SiC再次開啟，SiC電流逐步加大并逐步達到穩態值。

可見，通過此方式，可以加快器件換流，使得IGBT與SiC迅速進入最佳工況，優化了動態損耗。

同樣由圖11可知，在shutdown期間，IGBT與SiC同時經歷了一段高di/dt及dv/dt，在實際應用中需要合理調配驅動回路參數以及環路雜感參數，來降低此階段帶來的大應力風險，降低器件之間的控制信號串擾及擊穿風險。

4" 結論

本文針對IGBT與SiC導通特性及開關特性進行分析，并基于實際物理器件模型搭建了混合功率器件雙脈沖測試仿真模型。基于IGBT與SiC開關特性設計其驅動控制方式，并進行仿真分析，進一步優化控制方式，優化IGBT與SiC的換流時間，以此降低開關損耗，最大程度發揮IGBT與SiC的性能優勢。

然而在混合功率器件的應用中尚存大量的驅動控制方法需要優化，如：通過負載狀態檢測來實時切換開關模式的方法、混合功率器件的過流保護機制、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用會得到攻克，以此有效提升混合器件的驅動控制性能，確保其在各種工況下的穩定運行和高效能。

參考文獻

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2024-11-08

作者簡介：謝冬華（1987—），男，工程師，碩士，主要從事乘用車動力系統電控研發設計工作。