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Si/SiC混并联结构主动温度控制

作者:海飞乐技术 时间:2019-09-11 10:00

  碳化硅(SiC)作为一种新型的宽禁带半导体材料,相比于传统的Si半导体材料,具有禁带宽度大、击穿电场高和导热率大等特点,被认为是制备高温、高频、大功率器件的理想材料之一。但是碳化硅材料的生产工艺不成熟以及生产成本高昂,阻碍了碳化硅半导体器件的大规模应用。
  为此,有文献提出了SiC JFET和Si IGBT的并联结构,该结构结合了SiC JFET、Si IGBT的优点,相对单独的Si IGBT,开关损耗降低了70%,同时成本并未大幅度增加。分析了Si IGBT/SiC MOSFET并联结构内部电流分配关系和动态的开关过程。文献只关注Si IGBT/SiC MOSFET并联结构损耗和成本优化问题。均未考虑Si/SiC并联结构中两种器件之间的温度平衡问题。然而,功率半导体器件内部不同材料的热膨胀系数不同,其工作过程中产生的热量会导致器件老化甚至损坏,因此有必要对功率半导体器件温度做一定的控制以提高功率变换器的可靠性。到目前为止,大部分文献提出的温度控制方法都是适用于独立的Si 功率器件或者SiC功率器件,还没有适用于 Si/SiC混并联结构的温度控制方法。但在 Si/SiC混并联结构损耗优化的过程中,小电流 SiC MOSFET容易出现温度过高的现象,因此需要一种 Si/SiC混并联结构主动温度控制方法来有效解决小电流 SiC MOSFET温度过高的问题。
  因此,本文提出一种适用于Si IGBT/SiC MOSFET混并联结构的主动结温控制方法。首先分析了混并联结构的工作原理及驱动时序,然后建立混并联结构的损耗计算模型,分析关断延时Toff_delay对混并联结构内部器件功率损耗分配的影响,基于损耗计算模型实现混并联结构温度平衡。并设计了开关频率20kHz,功率等级9kW的DC-DC Buck变换器进行实验验证。
 
1. Si /SiC混并联结构工作原理
  Si/SiC混并联拓扑结构如图1所示。图中,以大电流Si IGBT为主器件,小电流SiC MOSFET为辅助器件组成Si IGBT/SiC MOSFET混并联结构。混并联结构结合了两种器件的优点,在低电流等级时SiC MOSFET导通大部分电流,而在高电流等级时Si IGBT导通大部分电流,从而降低了器件导通损耗。

混并联结构拓扑图 
图1 混并联结构拓扑图
 
  双极性的Si IGBT正向通流能力强,导通损耗小。但由于漂移区电导调制效应,Si IGBT在关断过程中会产生拖尾电流,产生较大的关断损耗。而属于单极性器件的SiC MOSFET具有开关速度快,无拖尾电流和开关损耗小的优点,因此在混并联结构关断时,可以采用特殊门极驱动时序,使IGBT ZVS关断而SiC MOSFET硬关断,从而减小器件总的开关损耗。混并联结构门极驱动时序如图2所示,Si IGBT先关断,而SiC MOSFET延时一段时间后再关断,从而实现IGBT的ZVS关断,减小器件损耗。
混并联器件驱动时序 
图 2 混并联器件驱动时序
 
  为详细讨论混并联结构的特殊关断模式对关断损耗的影响,本文采用 1200V 25A Si IGBT作为主器件和1200V 12.5A SiC MOSFET作为辅助器件组成Si IGBT/SiC MOSFET混并联结构。图3为混合器件在关断延时时间Toff_delay=0.8μs,母线电压600V,关断电流15A条件下的双脉冲测试关断波形。图中包含了SiC MOSFET门极驱动电压波形、漏极电压波形以及Si IGBT电流波形和SiC MOSFET电流波形。
混并联结构关断过程 
图 3 混并联结构关断过程
 
  从关断波形图中可以看到,在主器件Si IGBT提前关断后,由于SiC MOSFET仍然导通,在感性负载下,原先由IGBT导通的电流被强迫换流至SiC MOSFET,从而使IGBT 两端电压在关断过程中被钳位于SiC MOSFET的导通压降,由于SiC MOSFET导通损耗小,IGBT近似于ZVS关断。而SiC MOSFET在延时过程中导通了所有电流并在延时结束后硬关断。
 
2. 混并联结构损耗模型
  Si IGBT/SiC MOSFET混并联结构关断模式的特殊性,使得混并联结构中的两个器件损耗分配变得很复杂,给混并联结构损耗的计算带来了很大阻碍。功率器件Si IGBT/SiC MOSFET官方数据手册中一般会列出主要参数,利用这些参数可以计算出每一个器件在一个开关周期内的开关损耗和导通损耗。但在混并联结构中,由于其特殊开关模式的存在,传统的功率半导体器件损耗计算方法不再适用于混并联结构,需要对混并联结构损耗进行相应的计算以及定义混并联结构损耗分布。Si IGBT的总损耗Etotal_IGBT 分配如公式(1)所示
计算公式 
式中,Eon_MOS 为开通损耗,Econd_MOS 为导通损耗,Eoff_MOS 为关断损耗。
  通过分析Si IGBT/SiC MOSFET混并联结构开关特性发现,由于SiC MOSFET开通速度极快,在本文才用的驱动模式下,Si IGBT处于零电压开通的工作状态,因此混并联结构开通损耗只与SiC MOSFET有关。然而,在某一功率等级下,Si IGBT/SiC MOSFET混并联结构关断损耗以及导通损耗随着关断延时Toff_delay的变化而改变,因此本文着重分析了不同的关断延时Toff_delay下,混并联结构的关断损耗和导通损耗。
 
A. 关断损耗
  由于Si IGBT关断过程存在拖尾电流,混并联结构关断过程不是独立器件关断过程。通过分析,混并联结构关断总损耗只与Toff_delay 相关且分为SiC MOSFET关断损耗Eoff_MOS 和IGBT 关断损耗Eoff_IGBT 两部分。通过官方数据手册给出的数据结合双脉冲实验数据得到Eoff_IGBT 与Toff_delay 近似为二次函数关系,如式(3)所示;Eoff_MOS 与Toff_delay 近似为一次函数关系,如式(4)所示。
计算公式3 
式中,IF 为混并联结构正向电流,a、b、c、d、e、α、β为双脉冲实验提取参数。
 
B. 导通损耗
  混并联结构导通后,因为两种器件导通特性存在一定的差异,Si IGBT和SiC MOSFET按照一定的分配关系导通不同的电流。因此Si IGBT和SiC MOSFET的导通损耗也不相同。Si IGBT导通损耗如公式(5)所示,SiC MOSFET导通损耗如公式(6)所示:
计算公式5 
 
C. 仿真分析
  从损耗模型可以看出,混并联结构内部的功率损耗分配与关断延时Toff_delay有关。通过调节关断延时Toff_delay,混并联结构内部损耗分配随之改变,如图4所示。
损耗模型计算功率损耗 
图4 损耗模型计算功率损耗
 
  其中Ploss_IGBT_c和Ploss_MOS_c分别是基于损耗模型计算的IGBT和SiC MOSFET的功率损耗。当混并联结构的栅极关断延时较小时,IGBT 的计算功率损耗较大。这是由于Si IGBT的拖尾电流造成了大量损耗。当混并联结构的栅极关断延迟时间较大时,SiC MOSFET的计算功率损耗高于Si IGBT。这是由于SiC MOSFET在栅关断延迟时间内存在较大的额外单独导通损耗。IGBT的计算功率损耗随栅极关断延迟时间呈指数递减,而SiC MOSFET的功率损耗随栅极关断延迟时间呈线性递增。因此,通过调节关断延时Toff_delay,能够有效实现混并联结构内部的损耗分配。
 
3. 混并联结构主动温度控制
  虽然混合器件在特殊的门极驱动时序下能够实现IGBT的ZVS关断从而减小IGBT的关断损耗。然而,由于在图2所示的驱动时序下,SiC MOSFET不但需要承担大电流下的硬关断损耗,还需要在延时Toff_delay下短时间内导通器件全部电流,这有可能使SiC MOSFET在大电流下承担过多损耗从而使小芯片而积,大热阻的SiC MOSFET过热。在稳态下,器件结温、壳温和器件损耗的关系如下
计算公式9 
  式中,Tj 为器件结温,Tc 为器件壳温,Ploss 为器件的平均损耗,Rθjc 为热阻。显然,器件结温与器件损耗、热阻以及壳温相关,在器件损耗增大的情况下器件结温增加。因此在混并联结构中,当辅助器件SiC MOSFET损耗增加时,由于其芯片面积小热阻大,可能会导致SiC MOSFET结温过高并影响到混并联结构的可靠性。为此有必要对 Si IGBT/SiC MOSFET混并联结构进行温度控制,是Si IGBT和SiC MOSFET二者温度平衡,以提高混并联结构的可靠性。
  分析混并联器件损耗可知,调节Toff_delay 大小可以控制混并联结构的损耗分配,实现混并联结构温度平衡,达到减小混并联结构结温波动,提高混并联结构可靠性的目的。基于混并联结构损耗模型,本文提出一种适用于Si/SiC混并联结构的主动温度控制方法。混并联结构中Si IGBT与SiC MOSFET结温差值∆Tj 定义如下
计算公式10 
  式中,Tj_IGBT为Si IGBT结温,Tj_MOS为SiC MOSFET结温,Rθjc_IGBT为Si IGBT结到壳的热阻,Rθjc_MOS为SiCMOSFET结到壳的热阻,Tc_IGBT为Si IGBT壳温,Tc_MOS为SiC MOSFET壳温。设混并联结构中Si IGBT和SiC MOSFET二者壳温相等,那么Si IGBT与SiC MOSFET结温差值∆Tj可表示成式(11)。
计算公式11 
  为实现混并联结构内部两器件壳温平衡,设计如图5所示主动温度控制结构,反馈控制器采用PI控制器,相应算法在DSP TMS320F28335数字控制器上实现。将检测到的Toff_delay、iDS、Tc_IGBT和Tc_MOS送入混并联结构损耗模型,得到当前Si IGBT与SiC MOSFET温度差值∆Tc和混并联结构的损耗Ploss,将∆Tc与参考值∆Tc_ref进行对比得到误差Tc_error,与 Ploss一并送入控制器,并输出新的Toff_delay对混并联结构损耗进行重新分配。保证混并联结构中Si IGBT和SiC MOSFET温度差值稳定在目标值,提高混并联结构可靠性。
主动温度控制框图 
图5 主动温度控制框图
 
4. 实验验证
  本文采用1200V 25A Si IGBT作为主器件和1200V 12.5A SiC MOSFET作为辅助器件组成Si IGBT/SiC MOSFET混并联结构,在DC-DC Buck 电路中进行实验验证。用以实验测试的DC-DC Buck电路如图6所示,开关频率为20kHz,输入电压和输出电压分别为600V和300V。
混并联结构Buck电路 
图6 混并联结构Buck电路
 
  关断延时时间被设置为固定值Toff_delay=2.2μs,实验结果如图7所示。从实验结果可以观察到,当功率等级提升时,混并联结构中Si IGBT和SiC MOSFET壳温上升趋势相同。在9kW 时,SiC MOSFET壳温达到90℃,而Si IGBT壳温在73℃左右,二者壳温相差17℃,估测结温差值接近40℃。在重载情况下,结温相差过大,极易使混并联结构达到其极限结温,这加速了器件老化,严重降低了混并联结构的稳定性与可靠性。为此,在同样的测试条件下,增加主动温度控制,关断延时时间Toff_delay动态变化,从而改变混并联结构中两个器件的损耗分配。通过主动温度控制,在负载变化时,两器件壳温始终相近,在9kW时,两器件的最高壳温比固定值Toff_delay=2.2μs时低10℃。采用主动温度控制后,两器件结温差值约在在6℃(±3℃),比采用固定延时降低了34℃左右,极大的减小了混并联结构由于内部两器件结温差异巨大带来的器件过温风险,提升了器件运行可靠性。实验结果如图8 所示。
添加主动温度控制前 

5. 结语
  本文提出基于损耗模型的混并联结构主动温度控制,旨在解决混并联结构内部两器件运行中结偏差过大,容易造成内部器件大负载电流下过温风险,提高混并联结构的可靠性。该方法只改变混并联结构中Si IGBT和SiC MOSFET之间的关断延时时间,使得两种器件之间的损耗分配动态变化,从而实现Si IGBT和SiC MOSFET温度的主动控制。实验结果表明,采用主动温度控制后,两器件结温差值约在在 6℃(±3℃),比采用固定延时两器件结温偏差降低了34℃左右,极大的减小了混并联结构由于内部两器件结温差异巨大带来的器件过温风险,提升了器件运行可靠性。




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