混合模块及其应用

马小亮

（天津电气科学研究院有限公司，天津300180）（原名——天津电气传动设计研究所）

混合模块及其应用

马小亮

（天津电气科学研究院有限公司，天津300180）（原名——天津电气传动设计研究所）

SiC器件是下一代电力电子器件，目前价高难推广应用，在器件换代过渡期为增大功率及降低成本推出Si和SiC混合模块是现实的解决方案。除价格因素外，SiC器件的高开关速度导致开关过程电压和电流大幅振荡，也为应用带来很大困难，混合模块有助于克服这困难。介绍两种Si和SiC混合模块的应用：硅IGBT和碳化硅BCD混合模块及硅IGBT和碳化硅MOSFET混合模块。另外，还介绍全硅IGBT和MOSFET混合模块的应用，它也能获得Si-IGBT+SiC-MOSFET模块的许多好处。

Si和SiC混合模块；硅IGBT和碳化硅BCD混合模块；硅IGBT和碳化硅MOSFET混合模块；全硅IGBT和MOSFET混合模块

变频器的更新换代取决于电力电子器件的换代；电力电子器件的换代取决于半导体材料的换代。20世纪60年代实现了从锗材料到硅（Si）材料的换代，迎来半个世纪电力电子技术大发展。现有各种器件都基于硅材料，其性能已接近材料极限，近20年来未能出现新的换代。

下一代半导体材料是宽禁带材料，有前途的两种是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）），都是化合物材料。SiC和GaN器件的特点：高阻断电压，高开关速度（降低开关损耗及提高开关频率），高结温，可造出更高电压、更大功率，更高效率及更小体积装置。人们对SiC和GaN器件的期望很高，投入大量资金和人力，由于材料生产工艺不过关，20多年来进展不大，近期取得突破，大量样机问世，估计2020年后能占有较大市场份额。

GaN器件适合用于低功率、低电压（器件电压≤600 V）、高频率场合，它如果使用硅作为衬底，能获得大直径晶片，成本较低。SiC器件适合用于高功率、高电压场合（器件电压可达几千V），本文只涉及它。

SiC器件目前价高，很难快速推广应用，在器件换代过渡期，为增大器件功率及降低成本，推出Si和SiC混合模块，可能是现实的解决方案。除价格因素外，SiC器件的高开关速度也为应用带来很大困难，高dv/dt和高di/dt导致开关过程电压和电流大幅振荡见图1，严重时甚至损坏器件，要求回路寄生电感（电容、母线及模块引线）尽可能小，混合模块有助于克服该困难。从图1可看见SiC-MOSFET的振荡严重。

图1　1 200 V/100 A/2单元SiC-MOSFET 和Si-IGBT开关过程波形［1］Fig.1　Turn-on and turn-off waveforms of SiC-MOSFET and Si-IGBT（1 200 V/100 A/2U）

本文先介绍Si和SiC混合模块（Si+SiC）的应用：第1节介绍硅IGBT和碳化硅肖特基二极管混合模块（Si-IGBT+SiC-SBD）；第2节介绍硅IGBT和碳化硅MOSFET混合模块（Si-IGBT+SiC-MOSFET）。把Si-IGBT+SiC-MOSFET混合模块中的MOSFET换成廉价的传统硅器件（Si-MOSFET），构成全硅IGBT和MOSFET混合模块（全硅IGBT+ MOSFET），也能获得Si-IGBT+SiC-MOSFET模块的许多好处，第3节介绍它的应用。

1　Si-IGBT+SiC-SBD混合模块

碳化硅肖特基二极管（SiC-SBD）是SiC器件中最成熟及价亷的器件，因此它是SiC器件中应用最早和最多的器件。

逆变器相支路（leg）有上下两臂（arm），每臂由1个可控开关器件（例如IGBT）和1个反向续流二极管构成见图2。若支路输出正向电流，上臂开通前下臂二极管续流，则在上臂开通时上器件的开通损耗及下器件的恢复损耗都取决于下臂二极管的反向恢复特性。与Si快恢复二极管相比，SiC-SBD反向恢复快，恢复电流非常小（几乎没有），用它作常规Si-IGBT的反并联续流二极管，可大幅降低器件的开通损耗和恢复损耗。SiC-SBD在国产光伏逆变器中已使用，效果好。盼将二者封装在一起，提供混合模块产品。

图2　1 600 V/400 A/2单元Si-IGBT+SiC-SBD混和模块Fig.2　Si-IGBT+SiC-SBD hybrid module（1600 V/400 A/2U）

日本富士公司推出1600 V/400 A/2单元Si-IGBT+SiC-SBD混和模块，见图2［2］，用于690 V逆变器。与全Si模块相比，Si-IGBT+SiC-SBD混后模块降低恢复损耗83%，降低开通损耗38%，恢复和开通波形及损耗［2］见图3。

图3　全Si模块和混合模块恢复和开通波形及损耗Fig.3　Recovery and turn-on waveforms and loss of all Si module and hybrid module

日立公司推出3 300 V/1 200 A/1单元Si-IGBT+SiC-SBD混合模块［3］，用于4×150 kW牵引传动逆变器，直流母线电压Vdc=1 500 V。与传统全Si模块相比，混合模块损耗降低35%，模块尺寸减小1/3，逆变器尺寸和重量减小40%。模块损耗图见图4。模块和装置外形图见图5。

图4　模块损耗Fig.4　Module loss

图5　模块和装置外形图Fig.5　Outlines of module and device

2　Si-IGBT+SiC-MOSFET混合模块

Si-IGBT和SiC-MOSFET并联的混合模块想法由美国提出［4］，拟用于光伏和风能发电逆变器，进行了仿真研究。除增大器件功率及降低成本外，它还让SiC-MOSFET先通后断，使Si-IGBT零电压通断，减小开关损耗。400 A/1.2 kV（1× 100 A SiC-MOSFET与3×100 A Si-IGBT并联）之SiC-MOSFET+Si-IGBT混合模块的电路及开关时序见图6。

图6　混和模块的电路及开关时序Fig.6　Circuit and switching sequence of hybrid module

采用这种模块的250 kW中点钳位三电平光伏逆变器效率＞97%，比全用Si-IGBT模块提高1.2%～2%［4］，见图7。

图7　250 kW光伏逆变器效率Fig.7　Efficiency of 250 kW PV inverter

笔者认为，图6中的Si-IGBT开通滞后无必要，因为SiC-MOSFET的开通比它快得多，无此滞后Si-IGBT同样近似零电压开通，在其它文献中多无此滞后。

ABB公司制出Si-IGBT（1 200 V/25 A）+SiCMOSFET（1 200 V/30 A）混合模块（50 A）样品，并完成测试［5］。ABB混合模块中的IGBT和MOSFET门极用同一个信号驱动，无图6中之开通和关断滞后环节。该混合模块除了增大器件功率及降低成本外，它还有下述特点。

1）降低通态压降和通态损耗。IGBT是双极器件，它的通态特性与二极管类似，用门槛电压+小动态电阻表征，MOSFET是单极器件，它的通态特性用电阻表征，电流小时MOSFET比IGBT通态压降小，电流大时IGBT比MOSFET通态压降小，二者并联的混合开关在小电流时电流主要流过MOSFET、大电流主要流过IGBT，从而降低导通压降和通态损耗，见图8a。与2个并联的Si-IGBT和SiC-MOSFET相比，混和模块压降介于二者之间，见图8b。逆变器电流是正弦电流，时小时大，效果明显。

图8　IGBT，MOSFET和混合模块导通压降Fig.8　Forward-conduction voltage drop characteristic of IGBT，MOSFET and hybrid module

2）关断过程。IGBT的关断损耗由其拖尾电流产生，占总开关损耗中大部分。MOSFET无拖尾电流，关断快且损耗小，但高dv/dt和高di/dt导致电压、电流大幅振荡。混合模块利用MOSFET快速关断能力减小IGBT拖尾电流产生的损耗，又利用拖尾电流抑制MOSFET快速关断导致的电压、电流振荡和过压幅值，见图9a。混合模块的关断时间和损耗介于2个并联的Si-IGBT和SiC-MOSFET之间，见图9b。

图9　IGBT，MOSFET和混合模块关断波形及损耗Fig.9　Turn-off waveforms and loss of IGBT，MOSFET and hybrid module

3）开通过程。由于SiC-MOSFET比Si-IGBT开通快及两器件门极用同一个信号驱动，开通之初电流主要流过MOSFET，IGBT在较小电流及较低电压下开通。混合模块的开通损耗主要取决于相支路另一臂反向续流二极管的恢复特性，采用SiC-BCD时该开通损耗很小，开通波形见图10。

图10　混合模块开通波形Fig.10　Turn-on waveforms

4）改善短路保护性能。单极器件MOSFFET的短路电流承受能力不如双极器件IGBT，混合模块借助双极器件改善了短路保护性能，短路保护波形见图11。测试时混合模块重复短路试验通过。

图11　IGBT，MOSFET和混合模块短路保护波形Fig.11　Short-circuit protection characteristic of IGBT，MOSFET and hybrid modul

3　全硅IGBT+MOSFET混合模块的应用

把Si-IGBT+SiC-MOSFET混合模块中的MOSFET换成廉价的传统硅器件（Si-MOSFET），构成全硅IGBT和MOSFET混合模块（全硅IGBT+MOSFET），也能获得通态压降小及开关损耗小的好处。

与Si-IGBT+SiC-MOSFET混合模块不同，但由于硅MOSFET器件内存在1个慢速反向体二极管，不能直接把该全硅混合模块用于逆变器相支路。以图2所示相支路为例，若原状态为下臂开关导通及负载电流为正，电流经下臂续流二极管和MOSFET反向体二极管流过，在转换为下臂关断及上臂导通时，由于体二极管恢复慢，导致上臂开关器件过流。有2个解决办法［6］。

1）硬开关模式——加装1个与MOSFET串联的低压肖特基二极管，阻止反向电流流过，见图12。它的不足是增加通态压降。

图12　硬开关相支路Fig.12　Hard-switching phase leg

2）零电压软开关（ZVS）模式——相支路不增加器件，甚至在MOSFET体二极管够大时取消IGBT的反并联续流二极管，因为在上臂开关S1导通前，已经通过谐振电路把原流过下臂二极管的电流转移到上臂二极管，见图13（其中iRES是谐振电流，CS是谐振电容）。它的不足是软开关需增加谐振电路及其损耗。

图13　软开关相支路Fig.13　Soft-switching phase leg

美国弗吉尼亚理工学院把全硅IGBT+MOSFET混合开关和ZVS技术用于55 kW牵引驱动［7-8］，逆变器主电路见图14。图14中，混合模块里的续流二极管是MOSFET的体二极管，无需外加；ZVS的谐振电路由辅助开关Sx1～6、耦合电抗器Lr1～6及电容C1～6构成。

图14　逆变器主电路Fig.14　Inverter main circuit

该装置经美国著名的橡树岭国家实验室检验，用卡路里检测装置测总损耗，逆变器效率非常高，达99%，见图15，结果可信。在总损耗中，磁性元件损耗占11%，辅助电源（门极驱动、控制及冷却等）损耗占7%。

图15　3种直流母线电压的逆变效率Fig.15　Inverter efficiency for 3 DC-bus-voltage

两室卡路里检测装置见图16［8］，它有2个隔热室——主室和参照室，主室中放被测逆变器，参照室放装有电加热器的保温箱，冷却介质流过逆变器和保温箱，温度稳定后根据两室温升和加热器功率Pheate算出逆变器损耗Ploss：用此装置测出的损耗是总损耗，除主电路损耗外，还有辅助电路、冷却及谐波等损耗。

图16　两室卡路里检测装置Fig.16　Two-chamber calorimeter setup

4　结论

SiC器件是下一代电力电子器件，目前价高难推广应用，在器件换代过渡期为增大功率及降低成本推出Si和SiC混合模块是现实的解决方案。除价格因素外，SiC器件的高开关速度导致开关过程电压和电流大幅振荡，也为应用带来很大困难，混合模块有助于克服这困难。

碳化硅肖特基二极管（SiC-SBD）是SiC器件中最成熟、价亷及应用最早和最多的器件。它反向恢复快，恢复电流非常小，用它作常规Si-IGBT的续流二极管，可降低器件损耗及装置体积和重量1/3左右，已有将二者封装在一起的混合模块产品。

Si-IGBT和SiC-MOSFET并联的混合模块（Si-IGBT+SiC-MOSFET）除降低成本外，还具有通态压降及开关损耗小的好处，并能借助IGBT拖尾电流抑制振荡。ABB公司已制出1200V/50 A样品。

把Si-IGBT+SiC-MOSFET混合模块中的MOSFET换成传统硅器件，构成全硅IGBT和MOSFET混合模块（全硅IGBT+MOSFET），也能获得通态压降及开关损耗小的好处。但因硅MOSFET内存在1个慢速反向体二极管，不能直接将它用于逆变器相支路，采取补救措施。弗吉尼亚理工学院把该混合开关和ZVS技术用于55 kW牵引驱动，逆变器效率＞99%。

［1］ Fabre J，Characterization and Implementation of Dual-SiC MOSFET Modules for Future Use in Traction Converters［J］. IEEE Trans.on Power Electron.，2015，30（8）：4097-4090.

［2］ Takaku T.Development of 1 700 V Hybrid Module with Si-IGBT and Sic-SBD for High Efficiency［C］//9thInternational Conference on Power Electronics，Asia，Seoul，Korea，June 2015.

［3］Ishikawa K.Traction Inverter that Applies Compact 3.3 kV/ 1 200 A Sic Hybrid Module［C］//The 2014 International Power Electronics Conference，2014：2140-2144.

［4］ He J.Application of Wide Bandgap Devices in Renewable Energy System-benefits and Challenges［C］//3rdInternational Conference on Renewable Energy Research and Applications，Milwakuee，2014：749-754.

［5］ Rahimo M.Characterization of a Silicon IGBT and Silicon Carbide MOSFET Cross-switch Hybrid［J］.IEEE Trans.on Power Electron.2015（9）：4638-4642.

［6］ Hoffmann K F.High Frequency Power Switch-improved Performance by MOSFET and IGBT Connection in Parallel［C］//in Proc.EPE 2005，Dresden，Germany，2005.

［7］Lai J S，A Hybrid-switch-based Soft-switching Inverter for Ultrahigh-efficiency Traction Motor Drive［J］.IEEE Trans.on Indust.Appl，2014，150（3）：1066-1973.

［8］ Sun P.A 55 kW Three-phase Inverter Based on Hybrid-Switch Soft-switching Modules for High-temperature Hybrid Electric Vehicle Drive Application［J］.IEEE Trans.Indust.Appl，2012，48（3）：962-969.

Hybrid Modules and Their Applications

MA Xiaoliang
（Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）
（Former Name—Tianjin Design&Research Institute of Electrical Drive）

SiC devices are the next generation power electronic devices，but they are difficult to be employed in applications owing to high cost.Developing Si+SiC hybrid modules is a reasonable solution for reducing cost and increasing power rating of the devices in the period of changing device generation.Besides cost，high turn-on and turn-off speed，which cause serious voltage and current oscillation，bring difficulty to applications as well.The hybrid modules may help one to solve the difficulty.There were two kinds of Si+SiC hybrid modules，Si-IGBT+SiC-BCD hybridmoduleandSi-IGBT+SiC-MOSFEThybridmodule，andtheirapplicationswereintroduced.Additionallyall-Silicon IGBT+MOSFET hybrid module was introduced also，it may have many benefits of Si-IGBT+SiC-MOSFET module.

Si+SiC hybrid module；Si-IGBT+SiC-BCD hybrid module；Si-IGBT+SiC-MOSFET hybrid module；All-Silicon IGBT+MOSFET hybrid module

TM23

A

2015-09-29

马小亮（1939-），男，教授级高工，博士生导师，Email：xlm_td@sina.com