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,，其阻斷電壓和開關(guān)特性都已經(jīng)進(jìn)步到極限,。近年來，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,，很多文章都指出,，SiC 器件在阻斷電壓、工作溫度和開關(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,，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)試獲得的開關(guān)波形進(jìn)行了分析,，確定了開關(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?。作為特性檢測(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)載的斬波器來檢測(cè)該器件。該斬波器的運(yùn)行主要依賴于下述參數(shù)：總線
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圈電感等,。用于檢測(cè)該模塊的兩種合適電路的電路圖見圖1。
正如圖2 所顯示的一樣,，開關(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)量開關(guān)速度（di/dt, dv/dt）時(shí)更為需要,。此外，計(jì)算開關(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電感,，包括測(cè)量分流所使用的電感線圈，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,，這些器件的最大開關(guān)電流,、DC 母線電壓及結(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，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 雙模塊開通波形分析圖5(a) 是一個(gè)開通波形的實(shí)例,，所使用的試驗(yàn)電路見圖1(a)。試驗(yàn)條件：VDC = 600V,，Iload =100A,，Tj = 150℃，Vgs =+20V/-9V,，RgOFF = 2.2Ω,。
開通能量與開通電流的關(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,，試驗(yàn)溫度Tj = 150℃,。
試驗(yàn)結(jié)果表明，SiC MOSFET 模塊的開通能量可以低至Si IGBT 模塊的1/5,。與關(guān)斷情況類似,，dv/dt、di/dt 幾乎與結(jié)溫?zé)o關(guān),，開通損耗也是如此,。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 模塊宏觀模型及開關(guān)特性仿真
為了充分了解開關(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)﹂_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。一次開關(guān)的總損耗可以通過解析式[8] 的計(jì)算或者通過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、減小諸如無源器件的尺寸等,。
不過,，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,。
總的來說,，為了獲得盡量高的開關(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,、母線及半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)之后,，應(yīng)該使用專門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)入地鐵和路面電車的牽引逆變器應(yīng)用,。