功率元件的直接串聯(lián)運行極具挑戰(zhàn)性。 自全控功率元件誕生以來，學術(shù)界和工業(yè)界對元件的串聯(lián)運行做了大量的理論研究、技術(shù)開發(fā)和工程應用。 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用面臨的一系列挑戰(zhàn)，要實現(xiàn)SiC組件的串聯(lián)，需要從單管組??件的個體行為入手，進而上升組件串聯(lián)運行的基本原理和優(yōu)化設計。
IGBT串聯(lián)元件的研究現(xiàn)狀
要實現(xiàn)串聯(lián)組件的可靠運行，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理、均壓控制方法和串聯(lián)技術(shù)應用三個方面。
針對串聯(lián)組件的電流不平衡機理，有文獻分析了串聯(lián)IGBT的動態(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。 有學者對大功率IGBT元件串聯(lián)的電流不平衡機理進行了全面分析和比較研究，強調(diào)溫度和外部電路參數(shù)也會改變電流不平衡度。 在實際應用中，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)的隨機誤差，實際串聯(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)動信號的幅值、驅(qū)動信號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現(xiàn)，進而實現(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)動信號幅控電壓均衡方法示意圖。 此類方法的缺點是實現(xiàn)復雜、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導致較大的電流不平衡。 另一種常用的方法是柵極驅(qū)動信號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)均壓控制器設計的理論和技巧。 文獻[45]提出了一種基于柵極驅(qū)動電壓的均流方法，如圖1.8(c)所示，通過在柵極驅(qū)動電路中添加耦合變壓器來實現(xiàn)均壓，但耦合變壓器絕緣應力較高，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)需要給每個元件分配獨立的驅(qū)動信號，使得整體結(jié)構(gòu)更加復雜。 一些文獻提出了一種基于單個驅(qū)動信號來驅(qū)動一系列串聯(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現(xiàn)隔離驅(qū)動。 變壓器既可以提供驅(qū)動能量，也可以提供驅(qū)動脈沖，且方案成本相對較低。 缺點是速度很慢，難以自動均衡壓力。 一些文獻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，可以實現(xiàn)獨立均壓。 缺點是上管的開關(guān)動作要等下管的開關(guān)動作完成后才能實現(xiàn)，因此電路無法實現(xiàn)元件的同步開關(guān)。
為了推動IGBT器件的串聯(lián)應用，業(yè)界也對此做了大量的研究和實踐，有的專利提出了基于串并聯(lián)加多電平的實際應用拓撲。 如圖1.10所示，某專利提出了基于五電平拓撲和串聯(lián)中壓大功率晶閘管的解決方案，并已成功應用于大容量逆變器。 此外，在電流等級較高但開關(guān)頻率較低的應用中，壓接式IGBT串聯(lián)技術(shù)也已得到成熟應用。 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。 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±150kV，功率可達350MW。 擁有多年的行業(yè)應用經(jīng)驗。
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)應用于產(chǎn)品中。 其高效率、高功率密度的優(yōu)勢已在應用中得到體現(xiàn)。 在IGBT元件串聯(lián)技術(shù)的基礎上，對SiC元件串聯(lián)技術(shù)的研究可以進一步拓展串聯(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)斷時存在的自旋短缺導致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)動電流來控制整個動態(tài)過程，更有利于電壓均衡策略的實施。 此外，SiC的開關(guān)速率非?？?，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)特性的同時實現(xiàn)組件的電流平衡，是SiC組件串聯(lián)研究的重點和難點。 為了實現(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)動技術(shù)，因此組件的串聯(lián)工作原理、設計和優(yōu)化方法應該被考慮。
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)學模型和行為模型。 數(shù)學模型以構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)為基礎，通過數(shù)值模擬軟件實現(xiàn)構(gòu)件的開關(guān)操作圖。 數(shù)學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)，同時使用有限元估算工具，具有精度高、速度慢、成本高等特點。 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。 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)動作。 估計速度快，數(shù)學邊界清晰。 對于描述功率元件的參數(shù)變化規(guī)律和應用設計具有重要的指導意義。
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，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)動作的影響越來越受到人們的關(guān)注。 文獻表明，SiC元件的等效并聯(lián)電容的充放電電壓與負載電壓處于同一數(shù)量級，這會在元件開關(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 元件行為模型重點關(guān)注電容的影響和傳輸特性的非線性特性。 一些文獻考慮了元件開關(guān)過程中傳輸特性的非線性以及非線性結(jié)電容的影響。 實驗表明，該模型的精度可以有效提高，但這些模型大多通過經(jīng)驗逼近處理非線性，部分假設缺乏理論支持。 同時，此類模型驗證多在分立元件的封裝中進行驗證，往往具有較大的共源電感，而電源模塊一般具有獨立的柵極驅(qū)動電路，共源電感幾乎為零。 在高速開關(guān)下，兩者的動態(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態(tài)開關(guān)過程的分析。
B. SiC驅(qū)動載流子抑制技術(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器件高速運行的主要因素。 然而，在串聯(lián)應用中，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)動環(huán)路的耦合寄生參數(shù)會在上管中引入寄生電流。 如果感應驅(qū)動電流超過柵極的閾值電流，就會導致元件誤導通，產(chǎn)生額外的開關(guān)損耗，嚴重時甚至導致總線電容漏電。 如果感應負壓超過組件閘門的允許負壓范圍，將會給組件的常年運行帶來潛在的可靠性問題，嚴重的會導致閘門擊穿，造成閘門永久性損壞。 與Si組件相比，SiC驅(qū)動器由于組件技術(shù)和高速運行特性而顯著不同。 一方面，SiC的開關(guān)速率遠低于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，耐受柵極負壓也高于Si器件。 因此，斷態(tài)驅(qū)動電流的耐受范圍遠高于Si元件。 在SiC器件高速驅(qū)動相關(guān)的研究中，載流子電焦慮控制一直是學術(shù)界常年關(guān)注的研究熱點。
鑒于此，許多文獻對元件切換形成的駐波問題進行了研究。 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。 有文獻通過閉環(huán)控制dv/dt來實現(xiàn)噪聲抑制。 在文獻中，通過與柵極并聯(lián)一個額外的電容器來抑制載流子。 這種方法會增加開關(guān)速率，導致額外的損耗。 另一個想法是通過柵極負電壓驅(qū)動來提高噪聲電流容限。 有文獻通過電平翻轉(zhuǎn)電路在柵極電容上引入負電壓，提前對電荷進行預充電，以抑制元件的誤動作。 此類方法的療效受到SiC組件有限的負壓范圍的阻礙。 同時，由于元件的多個寄生參數(shù)，引入的負壓可能會減緩擁塞現(xiàn)象。 作為改進措施，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。 一些文獻采用這種方法來抑制紋波。 但受限于元件內(nèi)部驅(qū)動阻力較大，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)
最初用于系列應用的 SiC 元件是 SiC 結(jié)型場效應晶體管 (SiC JFET)。 有文獻提出了將SiC JFET元件加全控元件級聯(lián)的方法，實現(xiàn)元件的串聯(lián)工作，如圖1.14所示。 其優(yōu)點是只需要一個門信號即可實現(xiàn)元件的串聯(lián)操作。 底部的元件導通（或截止）后，負載電壓依次對與JFET元件柵極并聯(lián)的結(jié)電容進行放電（或充電），從而使元件導通（或截止）依次。 該電路的缺點是元件的切換是分步實現(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元件的導通或關(guān)斷是通過負載電壓對電容器的充放電來完成的，因此元件的開關(guān)速率由負載電壓決定。 一方面使得開關(guān)速率不可控，另一方面負載電壓較低時開關(guān)損耗會變大。
由于SiC JFET是常閉元件，因此除少數(shù)應用外，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)電容將來會提高開關(guān)速率，因此實際使用中緩沖電容應盡可能小。 主動均壓控制方法可以實現(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償分布電容電壓來實現(xiàn)電流平衡。 也有文獻提出了一種控制串聯(lián)元件電流不平衡的高精度延時實現(xiàn)方法。 但這類主動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)設計依據(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撲和實用研究。 有文獻提出了基于SiC芯片串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)的3600V/80A組件，如圖1.15所示。 該裝置采用三個器件串聯(lián)、多個芯片并聯(lián)，只需一個柵極驅(qū)動信號控制。 該模塊還可以串聯(lián)更多模塊結(jié)構(gòu)，實現(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。 有文獻將串聯(lián)元件用于直流斷路器，并通過單個控制信號來控制串聯(lián)元件的操作。 文獻中有很多促進SiC元件串聯(lián)的工程應用設計。 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)機理研究不夠深入，缺乏定量的理論模型。 然而，串聯(lián)應用中的多重寄生效應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)非線性時變特性的影響，導致應用范圍較窄的解析模型，誤差較大。 同時，目前分析模型的推斷和驗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。 缺乏準確的分析模型，無法準確指導零部件的性能分析和應用設計，準確描述關(guān)鍵參數(shù)的設計邊界。
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，抑制的療效嚴重有限串聯(lián)和并聯(lián)哪個總功率大，需要尋求新的解決方案。
高速開關(guān)下SiC元件串聯(lián)電流不平衡的機理：在高速開關(guān)時，SiC開關(guān)行為對元件參數(shù)的變化極為敏感，而實際元件的各種參數(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)不平衡電流機理分析停留在定性分析階段，導致串聯(lián)應用的電路參數(shù)設計缺乏準確的分析模型，對不平衡電焦控制方法缺乏理論指導，極大地影響了SiC串聯(lián)不平衡電流的機理分析。限制了串聯(lián)元件開關(guān)性能的提高。
基于獨立自由度的高速SiC系列電流平衡控制方法：現(xiàn)有的緩沖電路均壓和主動驅(qū)動均壓方法往往會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，控制對象的輸出應為零，從而實現(xiàn)電流平衡控制功能和器件驅(qū)動功能的完全前饋。 同時，為了實現(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)哪個總功率大，要求電流平衡控制方法具有超高速響應能力和動態(tài)運行穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)均壓支路的高速穩(wěn)定工作。
參考文獻：李成民，大容量SiC系列關(guān)鍵技術(shù)研究[D]，四川大學，2019