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)動器制造商為什么如此認真考慮這一新技術(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，這種器件對于改善牽引驅(qū)動器的性能是非常有效的。
本文首先介紹了用于SiC MOSFET 特性測量的試驗臺，然后對測試獲得的開關(guān)波形進行了分析，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帧Ｗ鳛樘匦詸z測的結(jié)果，我們對一臺采用SiC MOSFET 模塊的三相電壓源逆變器總的功率損耗進行了計算，并且與使用Si IGBT 模塊的同型號逆變器進行了比較。初步結(jié)論是，對于大電流、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)單元的實現(xiàn)
2.1 試驗臺原理
SiC MOSFET 模塊的主要優(yōu)勢在于這種器件的高開關(guān)速度。為了證明這一優(yōu)勢，設(shè)計了一臺具有感性負載的斬波器來檢測該器件。該斬波器的運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)特性的測量需要使用雙脈沖示波器。
初步的研究表明，準確的測量程序已經(jīng)被清楚確認。對于圖1 的試驗臺，為了獲得較高的精度，測量需要有大帶寬的傳感器，特別是在測量開關(guān)速度（di/dt, dv/dt）時更為需要。此外，計算開關(guān)能量時也少不了電流和電壓波形的精確測量。
2.2 設(shè)計試驗臺所用SiC 器件的環(huán)境模型
電路設(shè)計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，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，包括測量分流所使用的電感線圈，是一項很具挑戰(zhàn)性的工作。為此，整個試驗臺的機械設(shè)計使用了SolidEdge® 設(shè)計軟件，然后又用Q3D®和 Simplorer® 軟件進行了聯(lián)合模擬仿真，這種仿真允許將所有的裝配元件都考慮進去[6], [7]。重復(fù)不同的母線設(shè)計，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
關(guān)于一些1200V-100A 雙MOSFET 模塊的特性檢測工作已經(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) 給出了一個關(guān)斷波形的實例，所使用的試驗電路見圖1 (a)。試驗條件分別為：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FF100R12MT4）的檢測曲線，試驗溫度Tj = 150℃。
試驗結(jié)果表明，與相同電流和電壓等級的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℃下進行了特性檢測，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) 是一個開通波形的實例，所使用的試驗電路見圖1(a)。試驗條件：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FF100R12MT4）的檢測曲線，試驗溫度Tj = 150℃。
試驗結(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)斷波形的實例，所使用的試驗電路見圖1(b)。試驗條件：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，SBD 仍會出現(xiàn)一個小小的反向電流尖峰，這個小的反向恢復(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，SBD 的特性類似于JBS 器件（結(jié)型勢壘肖特基二極管）。
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。為實現(xiàn)這一目標，在PSIM® 軟件中開發(fā)了SiC MOSFET 特征模型，并且配合有實驗波形。這一宏觀模型給出了一個初步和近似的結(jié)果，讓我們能夠?qū)﹂_通及關(guān)斷等不同的階段進行分析。基于以前所做的實驗結(jié)果，使用標準的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)果的一個實例，其中，電流、電壓、能量等波形都做了介紹。
對于反并聯(lián)二極管，宏觀模型也能適用。但是，通過仿真結(jié)果的比較及實際測量，考慮觀察到的恢復(fù)電流較小，對二極管的模型進行了改進。該模型放在了圖9 所示的電路中，其中對恢復(fù)電流的參數(shù)進行了調(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 的試驗電路，實際觀察到的結(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
特性檢測一旦完成，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) 給出計算結(jié)果。
6 結(jié)論
實驗結(jié)果表明，SiC MOSFET 模塊的開關(guān)損耗比SiIGBT 模塊有顯著的降低。盡管目前的實驗只是對1200V SiC
MOSFET 模塊，但我們早已經(jīng)預(yù)料到，在更高電壓的SiC 器件上也會獲得類似結(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，例如，關(guān)系電磁兼容性(EMC) 的開關(guān)振蕩的影響，還有dv/dt 對牽引電機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)域的另一個關(guān)鍵問題是模塊的電流能力，為此，必須設(shè)計更多的芯片進行并聯(lián)，而芯片數(shù)量增加以后，來自于驅(qū)動器的柵極信號向芯片柵極的分配又成為關(guān)鍵技術(shù)難點，因為柵- 源線路電感必須盡可能的低，如果柵- 源信號與漏- 源電流耦合時尤其如此。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，包括優(yōu)化電容、母線及半導(dǎo)體的設(shè)計等。設(shè)計之后，應(yīng)該使用專門用于電壓源逆變器的相應(yīng)的試驗臺對SiC MOSFET 模塊進行全面的特性檢測，通過熱平衡方法確立總的功率損耗，比較計算結(jié)果，如本文圖11 所介紹的那樣。此外，該試驗臺應(yīng)該能夠允許并聯(lián)更多的功率模塊并具有進行更大電流試驗的能力，試驗電流應(yīng)能達到牽引應(yīng)用所需的高電流能力，還應(yīng)具有比較多種母線設(shè)計和多種電容排列的優(yōu)化設(shè)計能力。
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，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)用目標只是輔助逆變器，但是，即將上市的1700V SiCMOSFET 模塊將能進入地鐵和路面電車的牽引逆變器應(yīng)用。