1 前言
如今，在軌道牽引變頻器領(lǐng)域，硅IGBT[1] 已經(jīng)取代了諸如相控晶閘管或GTO 等雙極型器件。由于制造工藝的不斷進(jìn)步，硅器件技術(shù)正在接近于一條漸近線(xiàn)，其阻斷電壓和開(kāi)關(guān)特性都已經(jīng)進(jìn)步到極限。近年來(lái)，一些半導(dǎo)體制造商已經(jīng)提出生產(chǎn)1200V 阻斷電壓的SiC 晶體管。市場(chǎng)上的這種元件可以是單芯片的器件，也可以是功率模塊[2]。10 年來(lái)，很多文章都指出，SiC 器件在阻斷電壓、工作溫度和開(kāi)關(guān)頻率這組特性方面具有很大的吸引力，這就是軌道牽引驅(qū)動(dòng)器制造商為什么如此認(rèn)真考慮這一新技術(shù)的原因[3]。如今，一些供應(yīng)商已經(jīng)在提供SiC MOSFET 模塊[4][5]，看起來(lái)，這種器件對(duì)于改善牽引驅(qū)動(dòng)器的性能是非常有效的。
本文首先介紹了用于SiC MOSFET 特性測(cè)量的試驗(yàn)臺(tái)，然后對(duì)測(cè)試獲得的開(kāi)關(guān)波形進(jìn)行了分析，確定了開(kāi)關(guān)能量。使用PSIM® 軟件建立了SiC MOSFET 特征模型，該模型能夠?qū)ι鲜龇治鲇枰灾С帧Ｗ鳛樘匦詸z測(cè)的結(jié)果，我們對(duì)一臺(tái)采用SiC MOSFET 模塊的三相電壓源逆變器總的功率損耗進(jìn)行了計(jì)算，并且與使用Si IGBT 模塊的同型號(hào)逆變器進(jìn)行了比較。初步結(jié)論是，對(duì)于大電流、高開(kāi)關(guān)速度的牽引用變頻器，推薦使用SiC 功率MOSFET 模塊。
2 SiC MOSFET 開(kāi)關(guān)單元的實(shí)現(xiàn)
2.1 試驗(yàn)臺(tái)原理
SiC MOSFET 模塊的主要優(yōu)勢(shì)在于這種器件的高開(kāi)關(guān)速度。為了證明這一優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)具有感性負(fù)載的斬波器來(lái)檢測(cè)該器件。該斬波器的運(yùn)行主要依賴(lài)于下述參數(shù)：總線(xiàn)
電壓VDC、整流電流Ids、結(jié)溫Tj、柵極電壓Vgs、柵極電阻RgON 和RgOFF、以及功率電路的電容和線(xiàn)圈電感等。用于檢測(cè)該模塊的兩種合適電路的電路圖見(jiàn)圖1。
正如圖2 所顯示的一樣，開(kāi)關(guān)特性的測(cè)量需要使用雙脈沖示波器。
初步的研究表明，準(zhǔn)確的測(cè)量程序已經(jīng)被清楚確認(rèn)。對(duì)于圖1 的試驗(yàn)臺(tái)，為了獲得較高的精度，測(cè)量需要有大帶寬的傳感器，特別是在測(cè)量開(kāi)關(guān)速度（di/dt, dv/dt）時(shí)更為需要。此外，計(jì)算開(kāi)關(guān)能量時(shí)也少不了電流和電壓波形的精確測(cè)量。
2.2 設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)所用SiC 器件的環(huán)境模型
電路設(shè)計(jì)中特別需要注意的是要將電路電感（電容、母線(xiàn)和SiC MOSFET 模塊）最小化。確實(shí)，必須避免由高的關(guān)斷di/dt 所引起的電壓浪涌，這種電壓浪涌有可能損壞SiC 器件。因此，如何盡可能地降低總線(xiàn)電感，包括測(cè)量分流所使用的電感線(xiàn)圈，是一項(xiàng)很具挑戰(zhàn)性的工作。為此，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)使用了SolidEdge® 設(shè)計(jì)軟件，然后又用Q3D®和 Simplorer® 軟件進(jìn)行了聯(lián)合模擬仿真，這種仿真允許將所有的裝配元件都考慮進(jìn)去[6], [7]。重復(fù)不同的母線(xiàn)設(shè)計(jì)，直至理論上的電路電感降到20nH 以下。圖3 給出了最小化電路電感的程序流程圖。
3 1200V-100A SiC MOSFET 雙模塊開(kāi)關(guān)特性檢測(cè)
關(guān)于一些1200V-100A 雙MOSFET 模塊的特性檢測(cè)工作已經(jīng)完成，這些器件的最大開(kāi)關(guān)電流、DC 母線(xiàn)電壓及結(jié)溫分別是200A（2xln）、750V 和150℃。
3.1 1200 V-100A SiC MOSFET 雙模塊關(guān)斷波形分析
圖4(a) 給出了一個(gè)關(guān)斷波形的實(shí)例，所使用的試驗(yàn)電路見(jiàn)圖1 (a)。試驗(yàn)條件分別為：VDC = 600V，Iload =100A，Tj =150℃，Vgs = +20V/-9V，RgOFF = 2.2Ω。
關(guān)斷能量與關(guān)斷電流的關(guān)系示于圖4 (b)。圖中分布有SiCMOSFET 模塊和 Si IGBT 模塊（型號(hào)FF100R12MT4）的檢測(cè)曲線(xiàn)，試驗(yàn)溫度Tj = 150℃。
試驗(yàn)結(jié)果表明，與相同電流和電壓等級(jí)的Si IGBT 模塊相比，SiC MOSFET 模塊的關(guān)斷能量顯著降低，降低到了大約是Si IGBT 模塊的1/10。在類(lèi)似的工作條件下，反復(fù)在25℃、125℃和150℃下進(jìn)行了特性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)dv/dt、di/dt 和開(kāi)關(guān)損耗幾乎都與結(jié)溫?zé)o關(guān)，這與Si IGBT 的特性大不一樣。另一方面，關(guān)斷時(shí)的高di/dt 將產(chǎn)生電壓尖峰以及拖尾電流，而MOSFET 要比IGBT 更顯著。電流和電壓的振蕩主要是由于半導(dǎo)體的雜散電容與電路電感所形成的諧振電路引起，關(guān)斷的過(guò)電壓則是這些振蕩和di/dt 效應(yīng)的共同作用的結(jié)果。
3.2 1200 V-100A SiC MOSFET 雙模塊開(kāi)通波形分析圖5(a) 是一個(gè)開(kāi)通波形的實(shí)例，所使用的試驗(yàn)電路見(jiàn)圖1(a)。試驗(yàn)條件：VDC = 600V，Iload =100A，Tj = 150℃，Vgs =+20V/-9V，RgOFF = 2.2Ω。
開(kāi)通能量與開(kāi)通電流的關(guān)系顯示于圖5 (b)，圖中分布有SiC MOSFET 模塊和 Si IGBT 模塊（型號(hào)FF100R12MT4）的檢測(cè)曲線(xiàn)，試驗(yàn)溫度Tj = 150℃。
試驗(yàn)結(jié)果表明，SiC MOSFET 模塊的開(kāi)通能量可以低至Si IGBT 模塊的1/5。與關(guān)斷情況類(lèi)似，dv/dt、di/dt 幾乎與結(jié)溫?zé)o關(guān)，開(kāi)通損耗也是如此。電流和電壓的振蕩主要是由于半導(dǎo)體的雜散電容與電路電感所形成的諧振電路引起（MOSFET和反并聯(lián)二極管SBD 的電容）。
圖6(a) 給出了SBD 二極管關(guān)斷波形的實(shí)例，所使用的試驗(yàn)電路見(jiàn)圖1(b)。試驗(yàn)條件：VDC = 600V，Iload =100A，Tj= 150℃，Vgs = +20V/-9V，RgOFF = 2.2Ω。圖6 (b) 給出了SiCMOSFET 模塊和Si IGBT 模塊(FF100R12MT4) 在Tj=150℃時(shí)的二極管關(guān)斷能量與關(guān)斷電流的關(guān)系。
與傳統(tǒng)的PiN 硅二極管模塊不同，雙SiC 模塊里面沒(méi)有PiN 結(jié)構(gòu)，只有肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不存在恢復(fù)電流。然而，在高di/dt 時(shí)，SBD 仍會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小小的反向電流尖峰，這個(gè)小的反向恢復(fù)電流，可以解釋為體內(nèi)P 阱的注入產(chǎn)生的雙極效應(yīng)。高di/dt 時(shí)，SBD 的特性類(lèi)似于JBS 器件（結(jié)型勢(shì)壘肖特基二極管）。
4 1200 V-100A 雙-SiC MOSFET 模塊宏觀模型及開(kāi)關(guān)特性仿真
為了充分了解開(kāi)關(guān)波形，仿真是必要的。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在PSIM® 軟件中開(kāi)發(fā)了SiC MOSFET 特征模型，并且配合有實(shí)驗(yàn)波形。這一宏觀模型給出了一個(gè)初步和近似的結(jié)果，讓我們能夠?qū)﹂_(kāi)通及關(guān)斷等不同的階段進(jìn)行分析?；谝郧八龅膶?shí)驗(yàn)結(jié)果，使用標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET 模型工具，已經(jīng)建立了1200V-100A SiC MOSFET 的模型。圖7 所示的這種模型具有一個(gè)線(xiàn)性通道和固定的寄生電容。此外，還有比該模型更精致的多通道模型，本文不予詳述。
包含有反并聯(lián)二極管的這一模型放到圖1 的電路中，通過(guò)調(diào)整柵極電阻和柵極控制電壓Vgs，仿真可以給出與實(shí)際觀察到的完全相同的開(kāi)關(guān)速度。此外，還可以確定觀察到的各種振蕩所包含的寄生電容。圖8 給出了仿真結(jié)果的一個(gè)實(shí)例，其中，電流、電壓、能量等波形都做了介紹。
對(duì)于反并聯(lián)二極管，宏觀模型也能適用。但是，通過(guò)仿真結(jié)果的比較及實(shí)際測(cè)量，考慮觀察到的恢復(fù)電流較小，對(duì)二極管的模型進(jìn)行了改進(jìn)。該模型放在了圖9 所示的電路中，其中對(duì)恢復(fù)電流的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。
圖10 給出了二極管關(guān)斷的仿真結(jié)果，并給出了電流、電壓、能量等波形。使用圖1 的試驗(yàn)電路，實(shí)際觀察到的結(jié)果與仿真結(jié)果一致。其中恢復(fù)電流的參數(shù)依據(jù)圖6 的波形做了調(diào)整。
5 SiC MOSFET 模塊在電壓源逆變器中的優(yōu)勢(shì)
特性檢測(cè)一旦完成，比較半導(dǎo)體在電壓源逆變器(VSI) 中工作狀態(tài)的損耗便十分重要。一次開(kāi)關(guān)的總損耗可以通過(guò)解析式[8] 的計(jì)算或者通過(guò)PSIM® 熱平衡模型仿真得到。Si-IGBT模塊與SiC-MOSFET 模塊在圖11(a) 列出 給定條件下的比較，圖11(b) 給出計(jì)算結(jié)果。
6 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SiC MOSFET 模塊的開(kāi)關(guān)損耗比SiIGBT 模塊有顯著的降低。盡管目前的實(shí)驗(yàn)只是對(duì)1200V SiC
MOSFET 模塊，但我們?cè)缫呀?jīng)預(yù)料到，在更高電壓的SiC 器件上也會(huì)獲得類(lèi)似結(jié)果。在牽引應(yīng)用領(lǐng)域，非常需要降低重量和體積，逆變器損耗的減少將會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)尺寸的減小，甚至是冷卻技術(shù)的改變。另外，SiC 器件還可以提高目前的最高結(jié)溫限制[9]，還可以提高工作頻率、減小諸如無(wú)源器件的尺寸等。
不過(guò)，依然還有很多挑戰(zhàn)需要面對(duì)，例如，關(guān)系電磁兼容性(EMC) 的開(kāi)關(guān)振蕩的影響，還有dv/dt 對(duì)牽引電機(jī)絕緣的影響等都必須加以研究。這種器件應(yīng)用于牽引領(lǐng)域的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是模塊的電流能力，為此，必須設(shè)計(jì)更多的芯片進(jìn)行并聯(lián)，而芯片數(shù)量增加以后，來(lái)自于驅(qū)動(dòng)器的柵極信號(hào)向芯片柵極的分配又成為關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，因?yàn)闁? 源線(xiàn)路電感必須盡可能的低，如果柵- 源信號(hào)與漏- 源電流耦合時(shí)尤其如此。這一公共電感必須最小化并且沿著所有芯片均勻分布。
總的來(lái)說(shuō)，為了獲得盡量高的開(kāi)關(guān)速度和電流能力，必須優(yōu)化模型和設(shè)計(jì)，包括優(yōu)化電容、母線(xiàn)及半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)之后，應(yīng)該使用專(zhuān)門(mén)用于電壓源逆變器的相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)SiC MOSFET 模塊進(jìn)行全面的特性檢測(cè)，通過(guò)熱平衡方法確立總的功率損耗，比較計(jì)算結(jié)果，如本文圖11 所介紹的那樣。此外，該試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該能夠允許并聯(lián)更多的功率模塊并具有進(jìn)行更大電流試驗(yàn)的能力，試驗(yàn)電流應(yīng)能達(dá)到牽引應(yīng)用所需的高電流能力，還應(yīng)具有比較多種母線(xiàn)設(shè)計(jì)和多種電容排列的優(yōu)化設(shè)計(jì)能力。
廣義地講，SiC 元件的引入需要重新考慮牽引鏈的全部設(shè)計(jì)，才能獲得質(zhì)量和體積上的最大收益，并使組合更容易。目前，應(yīng)用目標(biāo)只是輔助逆變器，但是，即將上市的1700V SiCMOSFET 模塊將能進(jìn)入地鐵和路面電車(chē)的牽引逆變器應(yīng)用。