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以下內容發表在「SysPro電力電子技術」知識星球- 關于混合SiC-Si功率半導體技術方案的解讀 | 引導文- 原創文章，僅用于SysPro內部使用，非授權不得轉載

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導語：隨著大功率應用場景的蓬勃發展，如太陽能逆變器、儲能系統、充電樁等，對功率開關器件的性能提出了更高要求：高效、高功率密度、高可靠性。SiC MOSFET以其卓越的性能脫穎而出，但高昂的成本限制了其廣泛應用。而和 IGBT則憑借其低成本和成熟工藝占據市場主導地位。為了兼顧性能與成本，Si/SiC混合開關應運而生。為了全面地、系統地了解這一技術方案，搞清楚Si/SiC混合開關在電動汽車領域的前景究竟如何？應用方案如何實現？

我們在知識星球中創建了「混碳」專欄，系統深度地探討Si/SiC混合開關的設計背景、拓撲結構、器件特性、時序管理與控制策略，以及驅動電路與保護機制，旨在全面解析這一技術方向。

1. Si/SiC混合開關的設計背景與優勢

2. Si/SiC混合開關的拓撲結構

3. Si/SiC混合開關的器件特性

4. 混合開關的時序管理與控制策略
5. 混合開關的驅動電路與保護機制(知識星球發布)

6. 總結|SysPro備注：本篇為引導文，詳細解讀在知識星球中發布(文末介紹)

Si/SiC混合開關的設計背景與優勢

隨著太陽能逆變器、儲能系統、充電樁等大功率應用場景的不斷發展，對開關器件的性能要求越來越高。SiC MOSFET以其高功率密度、高效率和優異的熱性能脫穎而出，但其高昂的成本限制了其在大規模應用中的普及。而Si IGBT則以其低成本、大電流承載能力和成熟的制造工藝占據了市場的主導地位。

因此，將SiC MOSFET和Si IGBT并聯使用，形成混合開關，既能發揮SiC MOSFET的高性能優勢，又能利用Si IGBT的成本優勢，實現性能與成本的完美平衡。那么，如何定制Si/SiC混并開關的拓撲，以得到最優解呢？

圖片來源：Infineon

Si/SiC混合開關的拓撲結構

混合開關由Si IGBT和SiC MOSFET并聯組成，通過合理的拓撲設計和驅動策略，實現兩者的優勢互補。因此，拓撲結構的設計定義至關重要！

這種拓撲結構不僅要提高了開關器件的電流承載能力，還要降低導通損耗和開關損耗，從而提高了整個系統的性能、效率。因此，我們有必要對不同的拓撲結構進行分析，并且悉知市場上混合開關在逆變器中的應用實例，說明不同拓撲結構在提高逆變器效率和可靠性方面的顯著效果。

圖片來源：ST| SysPro備注：以上摘要，完整內容可見「SysPro電力電子技術」混合SiC專欄：

2.Si/SiC器件特性詳解 |2.1 SiC-Si混合功率器件的4種拓撲

Si/SiC混合開關的器件特性

了解了不同的混合驅動拓撲結構，下面我們以Si IGBT與SiC MOSFET為對象，對這一技術方案做詳細的說明。首先要知道的是，Si IGBT+SiC MOSFET開關特性是什么？為什么具備這一特性？如何利用各自的特性成就最佳的應用？

「導通特性」

從導通特性看，由于不同的物理結構，IGBT與SIC MSOFET具有不同的輸出特性曲線，如下圖所示。SiC MOSFET導通特性表現得更像一個電阻輸出特性，而IGBT 則表現出一個非常明顯的拐點(Knee Voltage)特性。這種技術上的差異即表現出兩種器件不同的導通損耗特點：

在電流較小時，SiC mosfet 具有更小的導通損耗
當電流較大（超過曲線交點）時，IGBT 的導通損耗則更小

IGBT 和SIC MOSFET導通特性

圖片來源：英飛凌

「開關特性」

從開關特性看，IGBT屬于雙極性器件，在關斷時由于少子的復合肯定會造成拖尾電流，使其開關損耗特性較差。而SiC MOSFET具有更快的開關速度，且沒有拖尾電流, 所以其開關損耗對比IGBT具明顯優勢。| SysPro備注：少子復合是指在半導體材料中，電子和空穴在復合中心相遇并重新結合的過程，是能量損失的主要途徑之一，對器件的轉換效率有重要影響。

IGBT 和SIC MOSFET開關特性

圖片來源：英飛凌

綜上，SiC MOSFET器件并不是在所有負載條件下，都具有壓倒性的性能優勢。這也就很容易理解在選擇SiC mosfet 還是Si IGBT 時需要考慮一個盈虧平衡點。

| SysPro備注：以上摘要，完整內容可見「SysPro電力電子技術」混合SiC專欄：

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.2 導通特性

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.3 開關特性 | 開通特性

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.4混合開關電流分配特性

混合開關的時序管理與控制策略當我們對器件特性和系統級應用合理方式有了深入的理解后，下一步就是要考慮如何實現這些設計思路？這里面有三個關鍵問題：電流配比、時序管理、控制策略。電流配比，其實回答的是：如何在確保功率開關安全工作的基礎上，充分發揮功率開關的輸出能力？我們會基于英飛凌1200V器件，通過介紹這四種混合器件在雙管并聯雙脈沖測試平臺上的實際開通關斷表現，以說明不同混合電流配比下，電流容量對電流分配的影響，同時考慮器件的安全工作范圍。

圖片來源：ST

| SysPro備注：以上摘要，完整內容可見「SysPro電力電子技術」混合SiC專欄：

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.5異步開關中的最佳損耗

時序管理，是Si/SiC混合開關設計的關鍵環節之一。通過精確控制Si IGBT和SiC MOSFET的開通和關斷時序，可以實現IGBT的零電壓開關（ZVS），從而進一步降低開關損耗。那么，如何通過異步開關策略優化混合開關的損耗？不同開關時序的選擇(開關模式)有哪些？不同開通延時和關斷延時對混合開關的開通損耗和關斷損耗有何影響？這些問題是我們z重點要明白的。

圖片來源：ST

| SysPro備注：以上摘要，完整內容可見「SysPro電力電子技術」混合SiC專欄：

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.5異步開關中的最佳損耗

最后，我們會介紹一些市場上一些新型的混合驅動IC，以同步或異步驅動SiC MOSFET和Si IGBT，并具備高級時序管理功能。通過實時選擇開通和關斷延遲時間以及優先級順序，這些驅動IC能夠優化混合開關的工作性能，提高系統的效率和可靠性。| SysPro備注：以上摘要，完整內容可見「SysPro電力電子技術」混合SiC專欄：

2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.6 同步開關中的驅動強度控制策略上篇：開關過程詳解
2. Si/SiC器件特征詳解 | 2.6 同步開關中的驅動強度控制策略中篇：過流優化思路

圖片來源：ST圖片來源：ST

05混合開關的驅動電路與保護機制(知識星球發布)了解了如何通過混合驅動IC，通過時序管理實現SIC和SI的最佳開關，那么如何保障混合開關過程中的正常工作、不失效呢？...| SysPro備注：以上摘要，完整內容可見「SysPro電力電子技術」混合SiC專欄：

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06總結

從上面的介紹可以看出，為了全面、系統地了解SiC-Si混合功率半導體這一技術方向，我們的整體思路是分三步走。第一步：從最基礎的器件入手。先深入了解再探討：它們以及SiC MOSFET與Si IGBT的單個特性如何？并聯后的表現怎樣？如何利用這些器件本身的特性來優化系統性能？第二步：在了解了不同開關模式下的器件特性和表現后，我們進入逆變器層級。討論我們結合器件級的解讀內容，探討如何根據應用工況，通過合理的SIC/SI的配比和驅動策略，將管子的輸出特性發揮到極致，同時實現更高的系統效率和更低的損耗。如何在不同負載條件下充分利用SiC MOSFET和Si IGBT的電流能力，以達到效率與性能的最佳平衡？

第三部：當我們對器件特性和系統級應用方式有了深入的理解后，下一步就是要考慮如何實現這些設計思路？我們將從驅動IC和驅動電路的角度出發，探討如何通過合理的控制策略與驅動方案設計來實現混合SiC-Si功率器件的高效運行？圖片來源：ST

最終，其實想搞清楚Si/SiC混合開關在電動汽車領域的應用方案、前景究竟如何？未來，電動汽車市場仍然會不斷地擴大，新能源技術也會不斷進步，對高效、高功率密度、高可靠性的開關器件需求將持續增長，Si/SiC混合開關憑借其不錯的性能和成本優勢，短期內或許有望成為主流的開關構型，為產品技術的迭代升級注入新的活力。