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Tesla, 減少75%的碳化硅用量！這......要逆天？不可能，絕對(duì)不可能！但作為一個(gè)接觸到的都是工業(yè)方面應(yīng)用的我來(lái)說(shuō)，首先，我不是很了解汽車(chē)領(lǐng)域的主流方案，不知道到了那種程度，但作為第一個(gè)在電動(dòng)汽車(chē)上大量導(dǎo)入碳化硅的特斯拉來(lái)說(shuō)，不可能空穴來(lái)風(fēng)地大放厥詞。其次，我也不允許他在我們?nèi)绱丝春锰蓟璧臅r(shí)候給我們來(lái)個(gè)“倒退”。那應(yīng)該如何去看待技術(shù)界的“大瓜”呢。
現(xiàn)在是凌晨一點(diǎn)，十二點(diǎn)的我還懶在酒店的沙發(fā)上刷手機(jī)，刷到了很多關(guān)于特斯拉的優(yōu)秀公眾號(hào)文章，分析得都很nice，其中看到碳化硅芯觀察的一篇文章，講到Si IGBT+SiC MOSFET的混合碳化硅，看到拓?fù)鋱D的那一刻，“我們好像在哪兒見(jiàn)過(guò)，你記得嗎？”（第一次用iPad寫(xiě)文章，多包含）
突然記起之前有看到過(guò)一篇涉及到這樣子的文獻(xiàn)，但是當(dāng)時(shí)只是略微看了下，因?yàn)橄鄬?duì)于當(dāng)時(shí)接觸到的應(yīng)用方案，我認(rèn)為還要好些時(shí)間才能碰到它。可是，時(shí)間總是喜歡跟我玩漂移，白駒過(guò)隙似的，這么快可能就到它了?？赡芎芏嗲拜呍缫芽赐高@一些，但對(duì)于我而言還是需要好好學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)的，今天我們就來(lái)一起看看這是怎么一回事......
當(dāng)下
提到混合碳化硅模塊，我可能直觀的反映是IGBT+SiC SBD，或者SiC MOSFET替代掉部分Si IGBT的模塊，比如三電平拓?fù)渲懈哳l管換成SiC MOSFET等等。以上我們之前提到過(guò)，是在性能和成本之前權(quán)衡后產(chǎn)生的過(guò)渡方案，而上圖Si IGBT和SiC MOSFET并聯(lián)應(yīng)用的方案可以說(shuō)沒(méi)見(jiàn)過(guò)。
碳化硅目前討論最多的還是單極性器件，包括SBD和SiC MOSFET，當(dāng)然雙極性SiC IGBT也是頗有討論，但仍有待進(jìn)展。
碳化硅的眾多優(yōu)勢(shì)我們這邊就不再贅述了，但高開(kāi)關(guān)速度下的串?dāng)_和振蕩以及略小的短路耐受能力給我們?cè)賹?shí)際應(yīng)用中提出了更高的要求，但很成熟的Si IGBT雖然這方面略顯劣勢(shì)，但短路和振蕩顯得稍能讓人接受，所以結(jié)合彼此的長(zhǎng)短，以及考慮成本的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了這種“新”的拓?fù)?，兩者并?lián)的交叉開(kāi)關(guān)（XS）方案，也叫cross-switch hybrid方案，是的，也叫混合碳化硅模塊，但不同于我們之前討論的混合碳化硅。
Cross-switch Hybrid
XS混合模塊示意圖：
就像我們前文說(shuō)的，這種混合碳化硅模塊本質(zhì)上也是性能和成本的結(jié)合，看完下文你會(huì)發(fā)現(xiàn)它和Tesla所說(shuō)的75%是多么契合。
有幸還能找到那篇文獻(xiàn)，其中它針對(duì)XS，純Si IGBT和純SiC MOSFET，并基于雙脈沖測(cè)試進(jìn)行了對(duì)比，我們一起來(lái)看看～～～
配置信息：
XS模塊：25Ａ/1200V(6.5mmx6.5mm) SPT IGBT
+30A/1200V(4.1mmx4.1mm, 80mohm) SiC MOS
IGBT和MOS的面積是3:1，即SiC面積占25%，也就是說(shuō)減少了75%！
純Si IGBT：由于XS是兩個(gè)芯片并聯(lián)，所以這邊也是采用兩個(gè)IGBT并聯(lián)達(dá)到50Ａ/1200V
純SiC MOSFET：兩并達(dá)到50Ａ/1200V
當(dāng)然，為了充分的對(duì)比，首先針對(duì)XS和單個(gè)Si IGBT和單個(gè)SiC MOSFET進(jìn)行了對(duì)比，如下：
25攝氏度下的傳輸特性曲線(xiàn)對(duì)比
150攝氏度下的輸出特性曲線(xiàn)
從靜態(tài)特性可以看出，XS模塊靜態(tài)參數(shù)特性代表了兩個(gè)器件的組合。
另外，在150攝氏度下XS和兩并的純Si和SiC的輸出特性對(duì)比，如下，
我們可以看出，在大電流下XS混合模塊能夠擁有比純SiC MOSFET更小的導(dǎo)通壓降，即導(dǎo)通損耗；在小電流下能夠擁有比純Si IGBT更小的導(dǎo)通壓降。這權(quán)衡了分別在大小電流下兩個(gè)純期間的劣勢(shì)，同時(shí)由于XS的大面積，熱阻相對(duì)于純SiC會(huì)更小，但這一點(diǎn)顯示熱性能有所提高。這是靜態(tài)特性的對(duì)比，我們來(lái)看看動(dòng)態(tài)特性下，三者的對(duì)比。
采用雙脈沖測(cè)試來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)特性的對(duì)比，電路圖如上，電感為60nH，50A/1200V的SiC SBD，Rg,off為10ohm。
從關(guān)斷波形我們可以看到，純SiC MOSFET關(guān)斷速度最快，而純Si IGBT因?yàn)樯僮哟鎯?chǔ)導(dǎo)致的關(guān)斷慢并帶拖尾，XS混合處在兩者之間，緩解了SiC由于關(guān)斷速度較快而導(dǎo)致的電壓尖峰，同時(shí)也緩解了純Si IGBT由于拖尾而導(dǎo)致的較大損耗。可以說(shuō)又是兼顧到了純SiC MOSFET和Si IGBT的優(yōu)劣勢(shì)。
另外，還給出了關(guān)斷損耗和電壓尖峰跟關(guān)斷電阻Rg,off的依賴(lài)關(guān)系:
從整個(gè)Rg,off范圍來(lái)看，XS混合模塊的關(guān)斷損耗比Si IGBT降低了約40%，電壓過(guò)沖相對(duì)于SiC MOSFET同樣是大幅降低。
同樣還給到了開(kāi)通波形的對(duì)比：
可以看到開(kāi)通過(guò)程沒(méi)有太大變化，主要還是和SiC SBD的關(guān)系更大一點(diǎn)，僅針對(duì)這個(gè)測(cè)試電路而言。
短路能力
可以看出，XS的短路電流是兩者之和，能夠一定程度上改善SiC MOSFET的短路能力，但到多大程度個(gè)人覺(jué)得還待考究，但這個(gè)過(guò)程要考慮SiC芯片技術(shù)的發(fā)展。
最后
綜上，我們可以看到XS混合模塊早前就已開(kāi)始研究，只是少為人知，初步的研究結(jié)論有以下幾點(diǎn):
?成本較純SiC降低
?低傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗，在相對(duì)較軟的關(guān)斷過(guò)程下，達(dá)到了中和
?熱阻相對(duì)純SiC有所降低，熱性能改善
?提高了短路能力
所以，你覺(jué)得75%這個(gè)數(shù)字是不是越看越像這種，當(dāng)然這也是大伙猜得最多的可能，今天我們一起了解了XS混合模塊的性能對(duì)比，好像真的會(huì)很受歡迎。
但我認(rèn)為這并不是“倒退”，也不是說(shuō)我們看好的碳化硅不對(duì)，只是在大環(huán)境下的一種trade-off。在這一點(diǎn)上，我還是想給Tesla點(diǎn)個(gè)贊，不為別的，在大家都往純碳化硅模塊奮進(jìn)的時(shí)候還能提出這樣一種想法，先不管它指的是不是我們說(shuō)的XS混合模塊，至少它不會(huì)說(shuō)空話(huà)。
當(dāng)然，芯片技術(shù)，封裝，拓?fù)涞鹊龋畲蟮牟蛔兙褪亲兓?！一切皆有可能?/p>
最后，希望今天的內(nèi)容你們能夠喜歡！Have a nice day！
參考文獻(xiàn)：'Characterization of a silicon IGBT and silicon carbide MOSFET cross-switch hybrid' Munaf Rahimo
