今天想抽出點(diǎn)時(shí)間來聊一下復(fù)合器件（Si IGBT + SiC MOSFET），我也不太清楚這個(gè)中文名字應(yīng)該叫什么，文獻(xiàn)里都叫做Hybrid switch，我就叫它混合器件吧。

由于傳統(tǒng)Si IGBT具有低成本以及低導(dǎo)通損耗的優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用場合。但是由于IGBT的開關(guān)損耗較大，所以系統(tǒng)的開關(guān)頻率較低（10 kHz - 30 kHz），從而導(dǎo)致無源器件的體積較大。近些年來，隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展，具有低開關(guān)損耗的SiC MOSFET已經(jīng)在逐步取代傳統(tǒng)的Si IGBT。SiC MOSFET可以應(yīng)用在較高的開關(guān)頻率從而提高系統(tǒng)功率密度以及效率。即使如此，由于制造工藝不同，對(duì)于碳化硅器件，它的生產(chǎn)成本是普通硅器件的五倍左右。因?yàn)椋瑸榱藢?shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率和成本之間的均衡，一種新型的混合器件的概念便被提出來。對(duì)于該混合器件，它由傳統(tǒng)的硅器件和碳化硅器件并聯(lián)組成，它可以同時(shí)結(jié)合傳統(tǒng)硅器件低導(dǎo)通損耗低成本的優(yōu)點(diǎn)以及新型碳化硅器件的高頻率低開關(guān)損耗的優(yōu)點(diǎn)。圖一所示便是混合器件示意圖。

圖一、Hybrid switch示意圖

圖二對(duì)比了采用復(fù)合器件以及全碳化硅器件和全硅器件的成本對(duì)比，器件的電壓應(yīng)力為1200 V，電流應(yīng)力為40 A。當(dāng)與全碳化硅方案相比時(shí)，采用復(fù)合器件可以節(jié)省超過一半的成本。（全硅方案：IGW40T120 from Infineon1200 V, 40 A；復(fù)合器件：C2M0160120D from CREE 1200V, 12.5 A以及IGW40T120 from Infineon1200 V, 40 A；全碳化硅方案：C2M0040120D from CREE 1200 V 40 A)

圖二、不同方案成本對(duì)比

根據(jù)開通延時(shí)和關(guān)斷延時(shí)的不同，復(fù)合器件有以下四種驅(qū)動(dòng)方式。由于傳統(tǒng)Si IGBT開關(guān)損耗較大，為了提高復(fù)合器件的效率，我們可以在開通時(shí)刻讓SiC MOSFET先導(dǎo)通，那么IGBT就可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通。在關(guān)斷過程中，我們可以讓IGBT先關(guān)斷，由于此時(shí)SiC MOSFET還處于導(dǎo)通狀態(tài)，那么IGBT也可以實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，這樣便可以減小IGBT的開關(guān)損耗提高系統(tǒng)的工作頻率。

圖三、復(fù)合器件驅(qū)動(dòng)方式

圖四所示為當(dāng)復(fù)合器件的開通延時(shí)和關(guān)斷延時(shí)為零時(shí)的波形（綠色為MOSFET電流波形，紫色為IGBT電流波形），其中母線電壓為400 V，電流為22 A。可以看出，由于MOSFET開關(guān)速度快，所以在開通過程中，MOSFET先導(dǎo)通，所有電流都將流經(jīng)MOSFET。隨著IGBT的慢慢開通，由于IGBT的導(dǎo)通壓降較低，所以流經(jīng)它的電流慢慢增加。最后在關(guān)斷過程，由于MOSFET關(guān)斷速度快，所以電流會(huì)全部流經(jīng)IGBT。由于IGBT較長的拖尾電流，會(huì)產(chǎn)生較大的關(guān)斷損耗從而影響效率。

圖四、無延時(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

為了提高效率減小關(guān)斷損耗，我們可以加入一定的開關(guān)延時(shí)和關(guān)斷延時(shí)從而來減小IGBT的開關(guān)損耗。圖五所示便是引入延時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。可以看出，MOSFET先導(dǎo)通，所以IGBT可以完全實(shí)現(xiàn)零電壓開通。在關(guān)斷過程中，首先關(guān)斷IGBT，此時(shí)MOSFET仍處于導(dǎo)通過程中，所以復(fù)合器件壓降為零，因此IGBT也可以實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。

圖五、有延時(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

有大量文獻(xiàn)研究了不同延時(shí)下復(fù)合器件的損耗，從而得出最佳的開通延時(shí)和關(guān)斷延時(shí)時(shí)間。總體來說，開通延時(shí)不需要過長，因?yàn)椋旧硖蓟杵骷_關(guān)速度快于硅器件，所以IGBT基本可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通。對(duì)于關(guān)斷延時(shí)，應(yīng)該盡量保證IGBT可以實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。但是過長的關(guān)斷延時(shí)也會(huì)使復(fù)合器件效率下降，因?yàn)樘蓟杵骷膿p耗會(huì)增加。

由于復(fù)合器件低成本高效率的特點(diǎn)，它們已經(jīng)被應(yīng)用于不同的場合。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高復(fù)合器件的可靠性，器件的結(jié)溫應(yīng)予以關(guān)注。如圖六所示，當(dāng)電流為12 A左右時(shí)，流經(jīng)IGBT的電流略大于MOSFET，因此它的導(dǎo)通損耗略大（電路為Boost電路，輸出電壓為200 V左右，開關(guān)頻率為20 kHz）。但另一方面，MOSFET的開關(guān)損耗要大于IGBT，因?yàn)镮GBT基本實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。綜合來看，兩個(gè)器件的結(jié)溫基本一致。

圖六、復(fù)合器件溫度特性（電流為12 A）

隨著電流的增加，越來越多的電流會(huì)流經(jīng)IGBT從而使IGBT的導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)大于MOSFET。此時(shí)IGBT的結(jié)溫要高于MOSFET。

圖六、復(fù)合器件溫度特性（電流為20 A）

為了實(shí)現(xiàn)溫度的均衡，我們這里提出了一種變驅(qū)動(dòng)電壓的方式來改變復(fù)合器件內(nèi)部電流的分配，從而調(diào)節(jié)損耗以及溫度。它的基本原理就是根據(jù)圖七所示的器件驅(qū)動(dòng)電壓與導(dǎo)通電阻的關(guān)系。可以看出器件的導(dǎo)通電阻隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而減小。那么利用這個(gè)特性，我們便可以去動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)復(fù)合器件的電流分配從而實(shí)現(xiàn)溫度的均衡或者提供一個(gè)自由度去設(shè)計(jì)復(fù)合器件。圖八所示便是通過增加MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出，MOSFET與IGBT的結(jié)溫基本一致，從而達(dá)到均溫的效果。

圖七、驅(qū)動(dòng)電壓與導(dǎo)通電阻的關(guān)系

圖八、復(fù)合器件的溫度特性（電流為20 A，不同的驅(qū)動(dòng)電壓）

變驅(qū)動(dòng)電壓可以通過有源驅(qū)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)。這樣通過理論和實(shí)驗(yàn)分析，我們可以得到復(fù)合器件在不同工況下的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，可以利用查表的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合器件全局工作范圍內(nèi)的優(yōu)化。圖九所示是復(fù)合器件工作在100 kHz時(shí)的工作波形。可以看出與傳統(tǒng)硅器件相比，復(fù)合器件可以大大提高開關(guān)頻率降低開關(guān)損耗。

圖九、復(fù)合器件工作在100 kHz

寫到這里，基本上也把我想講的大概都說完了。希望大家能夠?qū)?fù)合器件有一定的認(rèn)識(shí)，知道它的原理以及工作模式，感興趣的讀者可以通過下面幾篇文獻(xiàn)來更深入的了解。