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每個(gè)工程師都想要一個(gè)完美的開關(guān)，以便能在開和關(guān)兩種狀態(tài)之間瞬間切換，且在兩種狀態(tài)下都實(shí)現(xiàn)盡可能低的損耗。要實(shí)現(xiàn)這樣的開關(guān)特性，需要有無限的擊穿電壓，關(guān)閉時(shí)不允許有任何電流流動(dòng)，開通時(shí)無需維持上面的電壓差，且開和關(guān)就在轉(zhuǎn)瞬之間。這樣的開關(guān)根本沒有！真正的開關(guān)擊穿電壓有限，關(guān)閉時(shí)有泄漏電流，開通時(shí)有電壓差，切換需要一定的時(shí)間，且總會(huì)消耗一些能量。現(xiàn)在不是有了碳化硅（SiC）等第三代半導(dǎo)體器件嗎？但是，雖然SiC器件的特性比硅好了很多，但是應(yīng)用中仍有許多新的問題要解決。 應(yīng)用SiC 10年的體會(huì) 用SiC MOSFET代替硅器件，可以通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)級(jí)，提供更高的門通電壓，處理有時(shí)可能為負(fù)的柵極關(guān)電壓，這樣就可以將開關(guān)頻率增加三到五倍，實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速度，同時(shí)使用較小的磁性元件和散熱器來節(jié)省空間。不過，正如清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系教授、博士生導(dǎo)師、清華大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)中心主任、IEEE Fellow趙爭(zhēng)鳴所說：“10年應(yīng)用SiC的體會(huì)是，做得好不如用的好。開關(guān)速度這么快，就會(huì)產(chǎn)生突變，引起很多問題，所以使用SiC時(shí)會(huì)遇到很大的挑戰(zhàn)。”他認(rèn)為，只有供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)一起努力，才能真正把SiC等寬禁帶器件用好。實(shí)際應(yīng)用表明，使用SiC可以大幅降低開通損耗、關(guān)斷損耗、反向恢復(fù)損耗，總體損耗可減小七倍，大幅度提高開關(guān)頻率。實(shí)際上，原來的開關(guān)，如硅基MOSFET和IGBT，開關(guān)頻率也可以提升，但是頻率越高損耗也越高，效率下降就意義不大了。他認(rèn)為，電力電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的首要指標(biāo)就是效率，效率低就沒有什么價(jià)值。提高采樣頻率波形會(huì)變得更好，SiC的工作頻率比硅基器件提高差不多4到5倍，總損耗小了，所以可以提高效率。這正是目前使用SiC的主要驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)用到底能有多大獲益？ 高壓化是SiC的重要特性之一，原來為了實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用，只能將單個(gè)硅器件串聯(lián)或使用級(jí)聯(lián)方式拼湊起來承受高電壓；由于SiC耐壓很高，可以直接使用，為各種應(yīng)用帶來了極大的便利。從高壓SiC芯片技術(shù)的發(fā)展看，目前市場(chǎng)上提供的3.3kV高壓SiC器件有兩種組合：用SiC MOSFET，其反饋二極管用的是SiC MOSFET體二極管 用一個(gè)單獨(dú)的MOSFET加上一個(gè)反并聯(lián)二極管。 兩種方案各有好處，隨著時(shí)間的推移，SiC MOSFET體二極管會(huì)出現(xiàn)正向壓降變化。三菱電機(jī)在售的3.3kV高壓SiC器件外邊有一個(gè)單獨(dú)并聯(lián)的反饋二極管，可以避免二極管的正向退化；下一代3.3kV全SiC模塊將這個(gè)二極管集成到芯片中，做成了一個(gè)芯片，可以避免長(zhǎng)期工作后MOSFET體二極管正向壓降發(fā)生變化，還可以提高模塊的功率密度。
目前量產(chǎn)的3.3kV 750A SiC MOSFET內(nèi)置了二極管芯片（SBD），3.3kV產(chǎn)品有6kV（標(biāo)準(zhǔn)LV100封裝）和10kV（標(biāo)準(zhǔn)HV100封裝）兩個(gè)絕緣等級(jí)。正在開發(fā)的6.5kV SiC MOSFET也內(nèi)置了SBD，大幅減小了芯片面積，功率密度達(dá)到9.3kVA/cm3，采用高導(dǎo)熱性和高耐熱性絕緣襯底以及高可靠性的芯片焊接技術(shù)，芯片具有良好的散熱和耐熱性。通過提高器件開關(guān)頻率，有助于實(shí)現(xiàn)高壓變流器的小型化和節(jié)能；據(jù)介紹，高壓SiC模塊已成為應(yīng)用的主流。3.3kV的主要應(yīng)用之一是軌道牽引中的整流器和逆變器。2014年，三菱電機(jī)的3.3kV 1500A全SiC MOSFET功率模塊開始在日本小田急列車上應(yīng)用；2015年，在新干線列車上的應(yīng)用；2019年，LV100封裝的3.3kV 750A全SiC MOSFET功率模塊在小田急5000型列車上應(yīng)用。時(shí)至今日，國(guó)內(nèi)外軌道牽引已經(jīng)不用以前的二極管整流，而采用SiC MOSFET、IGBT器件。
第二個(gè)應(yīng)用是中低壓輸配電，為了提高效率，需要利用SiC器件實(shí)現(xiàn)中低壓輸電，一般采用MMC結(jié)構(gòu)。其中的電力電子變壓器采用全橋、半橋拓?fù)?，包括整流部分、隔離部分和逆變部分。一般隔離部分用SiC器件比較多，可以有效減小變壓器體積。
在功率密度方面，正在從過去的IGBT技術(shù)經(jīng)過封裝優(yōu)化向采用SiC MOSFET的模塊發(fā)展，最早的H系列功率密度僅為4.51 cm2，現(xiàn)在是10.71A/cm2，提升了兩倍多，使整個(gè)變流器的體積、效率都有質(zhì)的優(yōu)化。
在量產(chǎn)產(chǎn)品中，有3.3kV混碳和全碳兩種器件，混碳包括IGBT部分，二極管是全SiC，好處是大多數(shù)客戶能接受這樣的成本，損耗也能降低很多。因?yàn)槎O管是SiC材料，反向恢復(fù)損耗抑制的非常低。在一些領(lǐng)域，如二極管占主導(dǎo)地位的應(yīng)用中，這個(gè)模塊非常適用。目前的產(chǎn)品有兩個(gè)等級(jí)：1700V 1200A和3.3kV 600A。
3.3kV全SiC器件包括三個(gè)型號(hào)：750A、375A、185A。185A正在進(jìn)行測(cè)試，使用這個(gè)器件，整個(gè)變流器體積和效率都會(huì)有很大優(yōu)化，其封裝和硅器件一樣，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局可以簡(jiǎn)化很多。
對(duì)比3.3kV 600A硅器件、混合SiC器件和全SiC器件的開通波形，可以看到，硅器件的開通損耗是1.02，混合SiC器件是0.62，SiC器件是0.42。全SiC比硅約降了60%，效果非常明顯。
關(guān)斷損耗方面，主要對(duì)比了硅和混合SiC，因?yàn)樗鼈兊那岸硕际荌GBT，損耗都比較大，切換成SiC器件后，由1.05降到了0.14，降低幅度非常大。
功耗仿真很能說明問題，仿真條件為：母線電壓1800V，電流等級(jí)450A，頻率5kHz，這是3.3kV全SiC器件比較優(yōu)化的頻率，比以前硅器件提高了10倍左右，以前牽引用3.3kV硅器件在1kHz以下。從整體損耗看，全SiC器件比硅器件降低了76%，隨著條件的變化，這個(gè)損耗會(huì)有所波動(dòng)，但降低幅度仍非常大。應(yīng)用痛點(diǎn)何以化解？ 高壓SiC模塊的驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用中的一個(gè)難題，也許是因?yàn)槿怆姍C(jī)是功率半導(dǎo)體大廠，并沒有自己開發(fā)驅(qū)動(dòng)，而是有很多廠商專門為其開發(fā)驅(qū)動(dòng)。其推薦的幾款驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過測(cè)試得到了認(rèn)可，包括日本品牌IDC和田村、美國(guó)的PI（Power Integrations）和國(guó)產(chǎn)品牌青銅劍。3.3kV高壓SiC模塊在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用剛剛開始，為了應(yīng)對(duì)產(chǎn)品開發(fā)實(shí)踐或生產(chǎn)碰到的一些問題，三菱電機(jī)開發(fā)了一款工藝組件設(shè)計(jì)。其拓?fù)溆玫哪K是3.3kV 750A SiC模塊，因?yàn)閷?duì)牽引應(yīng)用的電流等級(jí)稍小一些，所以并聯(lián)非常必要，該組件是用2個(gè)3.3kV 750A SiC模塊并聯(lián)的。利用這個(gè)平臺(tái)可以對(duì)SiC的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行具體研究，并提供給客戶進(jìn)行測(cè)試，復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果，解決應(yīng)用中的一些實(shí)際問題；也可以對(duì)一些相同封裝的驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行評(píng)測(cè)。其開發(fā)目標(biāo)是額定功率1.2MW，輸出電壓1140Vrms，輸出電流600Arms，母線電壓1800V到2200V，頻率設(shè)置5kHz。因?yàn)槭遣⒙?lián)應(yīng)用，其關(guān)鍵點(diǎn)是電流不平衡率小于10%。該組件未來將用在軌道牽引、直流輸配電、高壓變頻等領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)室搭建的測(cè)試平臺(tái)包括兩個(gè)SiC功率模塊、定制的母排，驅(qū)動(dòng)器方案選擇了日本的產(chǎn)品，包括主板和從板；還有定制的直流側(cè)電容和散熱器。
該組件設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，特別是驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和瞬態(tài)換流回路的設(shè)計(jì)，以及并聯(lián)的問題。由于驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)采用了成熟的驅(qū)動(dòng)器，沒有什么問題。主要關(guān)注的是瞬態(tài)換流回路設(shè)計(jì)，它不同于以前的普通回路設(shè)計(jì)。普通器件如果頻率比較低，很少考慮電路中器件的寄生參數(shù)，但瞬態(tài)換流回路必須要考慮瞬態(tài)寄生參數(shù)，如雜散電感、雜散電容等，因?yàn)檫@些都會(huì)影響相互并聯(lián)的器件開通和關(guān)斷的瞬態(tài)表現(xiàn)，從而影響IGBT或MOSFET的效果。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在大功率設(shè)計(jì)中寄生電感最重要，所以要把寄生電感作為一個(gè)重點(diǎn)目標(biāo)。瞬態(tài)換流回路設(shè)計(jì)是為了考慮雜散參數(shù)對(duì)換流過程的影響，所以將雜散參數(shù)作為瞬態(tài)換流回路的設(shè)計(jì)目標(biāo)。瞬態(tài)換流回路包括系統(tǒng)換流回路和單元換流回路兩部分。系統(tǒng)換流回路的目標(biāo)是控制回路中的雜散電感，因?yàn)殡s散電感可以在換流過程中導(dǎo)致非常高的電壓尖峰，太高則會(huì)擊穿IGBT模塊；單元換流回路是要解決模塊開通和關(guān)斷時(shí)間不一致的問題，因?yàn)槟K電氣連接相同，但結(jié)構(gòu)不同，模塊1（紅色）和模塊2（綠色）的母排、導(dǎo)線長(zhǎng)度等不同，其中很多寄生參數(shù)會(huì)有一些差異（圖中黃色圈），會(huì)導(dǎo)致模塊開通和關(guān)斷時(shí)間不一致，引起均流問題。所以單元換流回路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要確保相互并聯(lián)的功率模塊的雜散參數(shù)盡可能接近，從而控制模塊開通的電流變化率也盡可能接近，達(dá)到良好的均流效果。
瞬態(tài)換流回路的設(shè)計(jì)包括三個(gè)步驟：瞬態(tài)換流回路系統(tǒng)分析，包括瞬態(tài)換流回路的提取；判斷雜散參數(shù)，包括電容、電感等，看哪個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)最重要，把最重要的作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后簡(jiǎn)化電路，方案中只包括最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)；根據(jù)系統(tǒng)要求確定將雜散參數(shù)控制在多大范圍。 進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，包括理論計(jì)算及系統(tǒng)建模仿真，以優(yōu)化母排和結(jié)構(gòu)布局，最終將雜散參數(shù)歸結(jié)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。 瞬態(tài)換流回路的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化母排，調(diào)整布局后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要測(cè)試雜散參數(shù)，和前面的目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，看有沒有達(dá)到要求；對(duì)安全工作區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，看模塊的開通關(guān)斷是不是在安全工作區(qū)范圍內(nèi)。 根據(jù)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)換流回路設(shè)計(jì)實(shí)際上是把母排作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在這個(gè)方案中，母排電感目標(biāo)定在小于20nH，這樣才能把關(guān)斷電壓控制在2200V左右的安全工作區(qū)范圍內(nèi)，以滿足系統(tǒng)要求。單元換流回路是在模塊1和模塊2提取后，把一些寄生參數(shù)做到一致，進(jìn)而使開通關(guān)斷一致。前面這些設(shè)計(jì)結(jié)束后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，選擇一個(gè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驗(yàn)證。主要是并聯(lián)測(cè)試驗(yàn)證，選擇三個(gè)測(cè)試條件：開通750A、關(guān)斷750A（都是IGBT額定值），以及關(guān)斷1500A（兩倍額定電流）?？梢钥吹剑餍蕿閮蓚€(gè)電流之間的差值除以一個(gè)平均值，得到1.6%、0.9%和1.1%。尖峰電壓控制在2200V，雙倍額定電流關(guān)斷也可以控制在2300V，效果非常好，均流和電壓都控制得不錯(cuò)。如趙爭(zhēng)鳴教授所說，快速短路保護(hù)是SiC模塊使用中最大的可靠性問題，它受很多因素的影響，包括SiC芯片本身的體二極管和反偏二極管很容易出問題，造成門極干擾或參數(shù)不匹配。另外，由于高開關(guān)速度，在DS、GS腳之間容易產(chǎn)生高電應(yīng)力，使脈沖非常高；商用SiC模塊在封裝工藝方面不是很成熟，包括焊接。另外，因?yàn)槠骷?，故障保護(hù)速度不夠，來不及反應(yīng)。所以，SiC模塊的短路特性比較嚴(yán)格，每個(gè)廠商都提出了各種各樣的保護(hù)措施，三菱電機(jī)的模塊做的是兩并聯(lián)的短路測(cè)試。在1800V和2000V母線條件下測(cè)試，從實(shí)際測(cè)試看，均流效率方面每個(gè)電流的差異都不大，尖峰電壓控制在2200V-2400V的合理范圍。保護(hù)功能在3μs時(shí)已經(jīng)起作用，可以將MOSFET安全關(guān)斷。總之，均流效率和尖峰電壓都控制得不錯(cuò)。寫在最后 讓理想優(yōu)勢(shì)照進(jìn)現(xiàn)實(shí) 如趙爭(zhēng)鳴教授強(qiáng)調(diào)的那樣，SiC器件的快速發(fā)展將經(jīng)歷從理想優(yōu)勢(shì)到應(yīng)用效益的轉(zhuǎn)變，人們先是期待獲得高頻、高壓、高溫等優(yōu)異的特性，也得到了一些好處，效率提高很多，但也發(fā)現(xiàn)了大量問題，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模使用SiC MOSFET仍處在一個(gè)兩難的階段。因此，要不斷將問題反饋給SiC器件研制者、制造商，只有器件開發(fā)者和使用者不斷來回迭代、研討、協(xié)商，才能解決這些問題，讓SiC器件發(fā)揮應(yīng)有的作用。
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