功率元件的直接串聯(lián)運(yùn)行極具挑戰(zhàn)性。 自全控功率元件誕生以來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對元件的串聯(lián)運(yùn)行做了大量的理論研究、技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用。 元件串聯(lián)技術(shù)主要在IGBT元件串聯(lián)方面發(fā)展。 為此，本節(jié)首先討論IGBT元件串聯(lián)的研究現(xiàn)狀。 SiC器件系列技術(shù)繼承自IGBT器件，由于SiC器件的特殊性，它與IGBT器件系列有很大不同。 針對目前單管SiC組件理論分析和工程應(yīng)用面臨的一系列挑戰(zhàn)，要實(shí)現(xiàn)SiC組件的串聯(lián)，需要從單管組??件的個(gè)體行為入手，進(jìn)而上升組件串聯(lián)運(yùn)行的基本原理和優(yōu)化設(shè)計(jì)。
IGBT串聯(lián)元件的研究現(xiàn)狀
要實(shí)現(xiàn)串聯(lián)組件的可靠運(yùn)行，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何保證串聯(lián)組件之間的電流平衡。 IGBT組件串聯(lián)技術(shù)的研究主要集中在組件電流不平衡機(jī)理、均壓控制方法和串聯(lián)技術(shù)應(yīng)用三個(gè)方面。
針對串聯(lián)組件的電流不平衡機(jī)理，有文獻(xiàn)分析了串聯(lián)IGBT的動(dòng)態(tài)開關(guān)過程，將串聯(lián)組件的電流不平衡歸因于組件尾部電壓范圍內(nèi)自旋股的差異，并給出了電流不平衡抑制措施。 有學(xué)者對大功率IGBT元件串聯(lián)的電流不平衡機(jī)理進(jìn)行了全面分析和比較研究，強(qiáng)調(diào)溫度和外部電路參數(shù)也會(huì)改變電流不平衡度。 在實(shí)際應(yīng)用中，元件工藝的一致性以及器件內(nèi)外環(huán)境的一致性對元件的電流平衡有重要影響。 但由于內(nèi)外部參數(shù)的隨機(jī)誤差，實(shí)際串聯(lián)工作的元件之間必然存在不平衡電流，通常需要主動(dòng)均壓控制方法。
IGBT元件串聯(lián)均壓控制方法的基本框圖如圖1.7所示。 元件的電流誤差經(jīng)過采樣后反饋到輸入端，與指令值比較，控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位等電壓均衡控制的自由度通過硬件電路或控制算法來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)元件的電流電壓均衡。 。 從組件的角度來看，只有保證開關(guān)時(shí)電流或電壓變化過程可控且一致，才能保證組件的電流平衡。 因此，理論上，采用IGBT有源閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方式有利于元件串聯(lián)均壓。 圖1.8(a)所示為基于該思想的驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅控電壓均衡方法示意圖。 此類方法的缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、抗干擾能力差。 由于組件電流不平衡對組件參數(shù)極其敏感，控制環(huán)路之間的微小差異仍然會(huì)導(dǎo)致較大的電流不平衡。 另一種常用的方法是柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的有源延遲電壓均衡控制方法，如圖1.8(b)所示。 該方案簡單直觀，但由于延遲時(shí)間與不平衡電流之間的物理關(guān)系不清楚，缺乏系統(tǒng)均壓控制器設(shè)計(jì)的理論和技巧。 文獻(xiàn)[45]提出了一種基于柵極驅(qū)動(dòng)電壓的均流方法，如圖1.8(c)所示，通過在柵極驅(qū)動(dòng)電路中添加耦合變壓器來實(shí)現(xiàn)均壓，但耦合變壓器絕緣應(yīng)力較高，體積大較大，其寄生參數(shù)過高，容易引起門環(huán)振蕩。 有文獻(xiàn)提出了基于功率環(huán)路耦合電感的電壓均衡方法，如圖1.8(d)所示。 但電源側(cè)均壓所需的耦合電感極大，增加了環(huán)路的體積和寄生參數(shù)。
另外，多管串聯(lián)需要給每個(gè)元件分配獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。 一些文獻(xiàn)提出了一種基于單個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)一系列串聯(lián)元件的結(jié)構(gòu)，如圖1.9(a)所示。 該方案依靠分散脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)隔離驅(qū)動(dòng)。 變壓器既可以提供驅(qū)動(dòng)能量，也可以提供驅(qū)動(dòng)脈沖，且方案成本相對較低。 缺點(diǎn)是速度很慢，難以自動(dòng)均衡壓力。 一些文獻(xiàn)提出了基于自舉電路的元件串聯(lián)策略，如圖1.9(b)所示。 該方案簡單，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立均壓。 缺點(diǎn)是上管的開關(guān)動(dòng)作要等下管的開關(guān)動(dòng)作完成后才能實(shí)現(xiàn)，因此電路無法實(shí)現(xiàn)元件的同步開關(guān)。
為了推動(dòng)IGBT器件的串聯(lián)應(yīng)用，業(yè)界也對此做了大量的研究和實(shí)踐，有的專利提出了基于串并聯(lián)加多電平的實(shí)際應(yīng)用拓?fù)洹?如圖1.10所示，某專利提出了基于五電平拓?fù)浜痛?lián)中壓大功率晶閘管的解決方案，并已成功應(yīng)用于大容量逆變器。 此外，在電流等級(jí)較高但開關(guān)頻率較低的應(yīng)用中，壓接式IGBT串聯(lián)技術(shù)也已得到成熟應(yīng)用。 壓接式IGBT是一種特殊的封裝結(jié)構(gòu)，具有可靠性高、易于直接串聯(lián)、較高的電流阻斷能力等優(yōu)點(diǎn)。 如圖1.11所示，ABB借助壓接式IGBT建立了第三代重載直流輸電解決方案。 電流可達(dá)±150kV，功率可達(dá)350MW。 擁有多年的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
總結(jié)目前IGBT組件串聯(lián)技術(shù)的研究現(xiàn)狀可以看出，目前已經(jīng)出現(xiàn)了一系列基于組件串聯(lián)的串聯(lián)均壓方法和解決方案，其中部分已經(jīng)應(yīng)用于產(chǎn)品中。 其高效率、高功率密度的優(yōu)勢已在應(yīng)用中得到體現(xiàn)。 在IGBT元件串聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對SiC元件串聯(lián)技術(shù)的研究可以進(jìn)一步拓展串聯(lián)元件的優(yōu)良性能。
SiC功率器件研究現(xiàn)狀
由上可見，IGBT元件關(guān)斷時(shí)存在的自旋短缺導(dǎo)致IGBT處于不受控狀態(tài)，是造成電流不平衡的重要原因。 由于組件中不存在拖尾電壓，因此可以通過驅(qū)動(dòng)電流來控制整個(gè)動(dòng)態(tài)過程，更有利于電壓均衡策略的實(shí)施。 此外，SiC的開關(guān)速率非常快，比IGBT元件快十倍，使其對參數(shù)變化極其敏感[58]。 如何在保持高速開關(guān)特性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)組件的電流平衡，是SiC組件串聯(lián)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 為了實(shí)現(xiàn)SiC組件的串聯(lián)，需要從單管組??件的研究入手，包括組件的分析模型和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，因此組件的串聯(lián)工作原理、設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法應(yīng)該被考慮。
A. SiC 行為模型
通過功率元件的建模來描述開關(guān)過程中電熱阻的變化規(guī)律。 功率器件的建模分為數(shù)學(xué)模型和行為模型。 數(shù)學(xué)模型以構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬軟件實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的開關(guān)操作圖。 數(shù)學(xué)模型可以取得很好的效果，但需要知道零部件的內(nèi)部制造參數(shù)，同時(shí)使用有限元估算工具，具有精度高、速度慢、成本高等特點(diǎn)。 行為模型不關(guān)心組件的內(nèi)部參數(shù)，以曲線擬合外部特性的形式描述組件的行為。 分析模型是行為模型的研究重點(diǎn)。 分析模型不依賴于仿真軟件。 通過解析公式描述元件的開關(guān)動(dòng)作。 估計(jì)速度快，數(shù)學(xué)邊界清晰。 對于描述功率元件的參數(shù)變化規(guī)律和應(yīng)用設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。
由于SiC和硅功率器件結(jié)構(gòu)相似，因此基于硅器件的建模方法也可以借鑒。 初始模型基于參數(shù)線性假設(shè)，通過鄰極環(huán)的等效電路建模求解線性微分方程，獲得描述組件的解析模型。 此類模型精度較差，僅適用于特定工況。 與硅元件相比，SiC元件在開關(guān)過程中越來越受到非線性因素的影響。 例如，其等效并聯(lián)電容特性對元件開關(guān)動(dòng)作的影響越來越受到人們的關(guān)注。 文獻(xiàn)表明，SiC元件的等效并聯(lián)電容的充放電電壓與負(fù)載電壓處于同一數(shù)量級(jí)，這會(huì)在元件開關(guān)過程中顯著改變溝道電壓。 這種現(xiàn)象在 組件建模中通常被忽略。 因此，最新的 SiC 元件行為模型重點(diǎn)關(guān)注電容的影響和傳輸特性的非線性特性。 一些文獻(xiàn)考慮了元件開關(guān)過程中傳輸特性的非線性以及非線性結(jié)電容的影響。 實(shí)驗(yàn)表明，該模型的精度可以有效提高，但這些模型大多通過經(jīng)驗(yàn)逼近處理非線性，部分假設(shè)缺乏理論支持。 同時(shí)，此類模型驗(yàn)證多在分立元件的封裝中進(jìn)行驗(yàn)證，往往具有較大的共源電感，而電源模塊一般具有獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)電路，共源電感幾乎為零。 在高速開關(guān)下，兩者的動(dòng)態(tài)過程存在顯著差異。 分立元件的解析模型近似不適用于功率模塊中高速動(dòng)態(tài)開關(guān)過程的分析。
B. SiC驅(qū)動(dòng)載流子抑制技術(shù)
SiC器件開關(guān)過程中形成的駐波問題和過流尖峰是限制SiC器件高速運(yùn)行的主要因素。 然而，在串聯(lián)應(yīng)用中，通常在元件兩端并聯(lián)緩沖電容以抑制電流尖峰，因此噪聲問題成為主要困境。 圖1.12以推挽電路為例說明SiC中的噪聲現(xiàn)象。 在下管開關(guān)過程中，功率環(huán)路和驅(qū)動(dòng)環(huán)路的耦合寄生參數(shù)會(huì)在上管中引入寄生電流。 如果感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流超過柵極的閾值電流，就會(huì)導(dǎo)致元件誤導(dǎo)通，產(chǎn)生額外的開關(guān)損耗，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致總線電容漏電。 如果感應(yīng)負(fù)壓超過組件閘門的允許負(fù)壓范圍，將會(huì)給組件的常年運(yùn)行帶來潛在的可靠性問題，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致閘門擊穿，造成閘門永久性損壞。 與Si組件相比，SiC驅(qū)動(dòng)器由于組件技術(shù)和高速運(yùn)行特性而顯著不同。 一方面，SiC的開關(guān)速率遠(yuǎn)低于Si器件，因此器件的工作對寄生參數(shù)非常敏感，包括寄生電容和共源環(huán)路耦合電感。 另一方面，由于SiC柵極氧化層缺陷較多，柵極電流開通閾值高于Si器件，耐受柵極負(fù)壓也高于Si器件。 因此，斷態(tài)驅(qū)動(dòng)電流的耐受范圍遠(yuǎn)高于Si元件。 在SiC器件高速驅(qū)動(dòng)相關(guān)的研究中，載流子電焦慮控制一直是學(xué)術(shù)界常年關(guān)注的研究熱點(diǎn)。
鑒于此，許多文獻(xiàn)對元件切換形成的駐波問題進(jìn)行了研究。 由于元件噪聲問題始于元件的高速開關(guān)，因此降低元件的開關(guān)速率是直觀的解決方案。 有文獻(xiàn)通過閉環(huán)控制dv/dt來實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。 在文獻(xiàn)中，通過與柵極并聯(lián)一個(gè)額外的電容器來抑制載流子。 這種方法會(huì)增加開關(guān)速率，導(dǎo)致額外的損耗。 另一個(gè)想法是通過柵極負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)來提高噪聲電流容限。 有文獻(xiàn)通過電平翻轉(zhuǎn)電路在柵極電容上引入負(fù)電壓，提前對電荷進(jìn)行預(yù)充電，以抑制元件的誤動(dòng)作。 此類方法的療效受到SiC組件有限的負(fù)壓范圍的阻礙。 同時(shí)，由于元件的多個(gè)寄生參數(shù)，引入的負(fù)壓可能會(huì)減緩擁塞現(xiàn)象。 作為改進(jìn)措施，在門環(huán)路中引入低阻抗路已成為主流方案，如圖1.13所示。 一些文獻(xiàn)采用這種方法來抑制紋波。 但受限于元件內(nèi)部驅(qū)動(dòng)阻力較大，這種抑制療效的方式受到一定程度的阻礙。
C. SiC功率元件串聯(lián)
最初用于系列應(yīng)用的 SiC 元件是 SiC 結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (SiC JFET)。 有文獻(xiàn)提出了將SiC JFET元件加全控元件級(jí)聯(lián)的方法，實(shí)現(xiàn)元件的串聯(lián)工作，如圖1.14所示。 其優(yōu)點(diǎn)是只需要一個(gè)門信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)元件的串聯(lián)操作。 底部的元件導(dǎo)通（或截止）后，負(fù)載電壓依次對與JFET元件柵極并聯(lián)的結(jié)電容進(jìn)行放電（或充電），從而使元件導(dǎo)通（或截止）依次。 該電路的缺點(diǎn)是元件的切換是分步實(shí)現(xiàn)的，速率的內(nèi)生性不一致，使得元件的偏轉(zhuǎn)不平衡不可避免。 另外，由于JFET元件的導(dǎo)通或關(guān)斷是通過負(fù)載電壓對電容器的充放電來完成的，因此元件的開關(guān)速率由負(fù)載電壓決定。 一方面使得開關(guān)速率不可控，另一方面負(fù)載電壓較低時(shí)開關(guān)損耗會(huì)變大。
由于SiC JFET是常閉元件，因此除少數(shù)應(yīng)用外，JFET并未得到業(yè)界廣泛接受。 為此，后續(xù)對SiC元件串聯(lián)的研究很快轉(zhuǎn)移到串聯(lián)上，主要包括均壓和串聯(lián)結(jié)構(gòu)研究。 。
SiC串聯(lián)運(yùn)行的均壓模式一般分為無源均壓模式和有源均壓模式。 無源均壓電路包括內(nèi)部阻容（RC）緩沖電路、靜態(tài)均壓內(nèi)阻、電壓鉗位緩沖電路等。其中，靜態(tài)均壓內(nèi)阻用于平衡關(guān)斷狀態(tài)下的元件電流， RC緩沖電路用于平衡開關(guān)狀態(tài)下的電流，兩者一般結(jié)合使用。
由于元件的并聯(lián)電容將來會(huì)提高開關(guān)速率，因此實(shí)際使用中緩沖電容應(yīng)盡可能小。 主動(dòng)均壓控制方法可以實(shí)現(xiàn)電流平衡并增加開關(guān)損耗，因此引起了興業(yè)的關(guān)注。 有文獻(xiàn)從模塊對地電容的差異來分析串聯(lián)元件的電流不平衡，提出通過柵極注入電壓補(bǔ)償分布電容電壓來實(shí)現(xiàn)電流平衡。 也有文獻(xiàn)提出了一種控制串聯(lián)元件電流不平衡的高精度延時(shí)實(shí)現(xiàn)方法。 但這類主動(dòng)均壓控制方法的原理多是基于定性分析，缺乏不平衡電流的定量模型，缺乏參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)，使得控制環(huán)路不穩(wěn)定，難以保證電流的有效性。多參數(shù)、多工況下的平衡。
組件系列研究的另一類是拓?fù)浜蛯?shí)用研究。 有文獻(xiàn)提出了基于SiC芯片串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)的3600V/80A組件，如圖1.15所示。 該裝置采用三個(gè)器件串聯(lián)、多個(gè)芯片并聯(lián)，只需一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。 該模塊還可以串聯(lián)更多模塊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更大電流、更高電壓，為SiC在高電壓、高電壓條件下工作提供了新思路，初步展現(xiàn)了串聯(lián)元件的優(yōu)異性能。 有文獻(xiàn)將串聯(lián)元件用于直流斷路器，并通過單個(gè)控制信號(hào)來控制串聯(lián)元件的操作。 文獻(xiàn)中有很多促進(jìn)SiC元件串聯(lián)的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)。 然而，電壓均衡方法僅使用RC緩沖電路，這將額外減少開關(guān)損耗。
面對挑戰(zhàn)
SiC功率器件的系列化應(yīng)用面臨一系列理論和技術(shù)挑戰(zhàn)。 一方面，對SiC單管元件在非線性多重寄生參數(shù)作用下的開關(guān)機(jī)理研究不夠深入，缺乏定量的理論模型。 然而，串聯(lián)應(yīng)用中的多重寄生效應(yīng)和高速特性增加了模型分析的難度。 另一方面，SiC串聯(lián)電流不平衡機(jī)理的理論支持不足，電壓均衡方法的研究還處于起步階段。 相關(guān)挑戰(zhàn)包括：
考慮非線性參數(shù)影響的SiC精確解析模型：對于高速開關(guān)的元件，目前的行為模型無法綜合考慮元件開關(guān)過程中多參數(shù)非線性時(shí)變特性的影響，導(dǎo)致應(yīng)用范圍較窄的解析模型，誤差較大。 同時(shí)，目前分析模型的推斷和驗(yàn)證多是針對功率相對較小的分立器件，沒有考慮大容量功率模塊特殊封裝特性的分析模型。 缺乏準(zhǔn)確的分析模型，無法準(zhǔn)確指導(dǎo)零部件的性能分析和應(yīng)用設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確描述關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)邊界。
多重寄生參數(shù)作用下的SiC高速開關(guān)噪聲抑制方法：針對橋臂電路中的柵極電流駐波現(xiàn)象，感應(yīng)噪聲電流與封裝結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在關(guān)系尚不清楚。 SiC器件高速開關(guān)時(shí)的噪聲電流是由功率環(huán)路和柵極環(huán)路的電參數(shù)耦合引入的。 該參數(shù)缺乏綜合考慮感應(yīng)噪聲電流的影響。 噪聲電流分析研究缺乏精確的理論模型，導(dǎo)致相關(guān)抑制方法的思路不清晰。 特別是對于耦合電感大、內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電阻大的SiC器件，現(xiàn)有的噪聲抑制方法很少考慮共源電感的影響，抑制的療效嚴(yán)重有限串聯(lián)和并聯(lián)哪個(gè)總功率大，需要尋求新的解決方案。
高速開關(guān)下SiC元件串聯(lián)電流不平衡的機(jī)理：在高速開關(guān)時(shí)，SiC開關(guān)行為對元件參數(shù)的變化極為敏感，而實(shí)際元件的各種參數(shù)總是存在一定程度的差異，因此SiC串聯(lián)電流不平衡是多種因素耦合作用的結(jié)果。 現(xiàn)有的SiC串聯(lián)不平衡電流機(jī)理分析停留在定性分析階段，導(dǎo)致串聯(lián)應(yīng)用的電路參數(shù)設(shè)計(jì)缺乏準(zhǔn)確的分析模型，對不平衡電焦控制方法缺乏理論指導(dǎo)，極大地影響了SiC串聯(lián)不平衡電流的機(jī)理分析。限制了串聯(lián)元件開關(guān)性能的提高。
基于獨(dú)立自由度的高速SiC系列電流平衡控制方法：現(xiàn)有的緩沖電路均壓和主動(dòng)驅(qū)動(dòng)均壓方法往往會(huì)改變元件本身的開關(guān)速率，從而帶來額外損耗。 理想器件的均壓電路和方式不能改變器件本身的開關(guān)速率，即均壓控制本質(zhì)上是微分控制。 在全電壓均衡的情況下，控制對象的輸出應(yīng)為零，從而實(shí)現(xiàn)電流平衡控制功能和器件驅(qū)動(dòng)功能的完全前饋。 同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)串聯(lián)元件的電流平衡，需要重構(gòu)SiC高速開關(guān)波形串聯(lián)和并聯(lián)哪個(gè)總功率大，要求電流平衡控制方法具有超高速響應(yīng)能力和動(dòng)態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)均壓支路的高速穩(wěn)定工作。
參考文獻(xiàn)：李成民，大容量SiC系列關(guān)鍵技術(shù)研究[D]，四川大學(xué)，2019