今天想抽出點時間來聊一下復合器件（Si IGBT + SiC MOSFET），我也不太清楚這個中文名字應該叫什么，文獻里都叫做Hybrid switch，我就叫它混合器件吧。

由于傳統Si IGBT具有低成本以及低導通損耗的優點，它已經被廣泛應用于各種工業應用場合。但是由于IGBT的開關損耗較大，所以系統的開關頻率較低（10 kHz - 30 kHz），從而導致無源器件的體積較大。近些年來，隨著寬禁帶半導體器件的發展，具有低開關損耗的SiC MOSFET已經在逐步取代傳統的Si IGBT。SiC MOSFET可以應用在較高的開關頻率從而提高系統功率密度以及效率。即使如此，由于制造工藝不同，對于碳化硅器件，它的生產成本是普通硅器件的五倍左右。因為，為了實現系統效率和成本之間的均衡，一種新型的混合器件的概念便被提出來。對于該混合器件，它由傳統的硅器件和碳化硅器件并聯組成，它可以同時結合傳統硅器件低導通損耗低成本的優點以及新型碳化硅器件的高頻率低開關損耗的優點。圖一所示便是混合器件示意圖。

圖一、Hybrid switch示意圖

圖二對比了采用復合器件以及全碳化硅器件和全硅器件的成本對比，器件的電壓應力為1200 V，電流應力為40 A。當與全碳化硅方案相比時，采用復合器件可以節省超過一半的成本。（全硅方案：IGW40T120 from Infineon1200 V, 40 A；復合器件：C2M0160120D from CREE 1200V, 12.5 A以及IGW40T120 from Infineon1200 V, 40 A；全碳化硅方案：C2M0040120D from CREE 1200 V 40 A)

圖二、不同方案成本對比

根據開通延時和關斷延時的不同，復合器件有以下四種驅動方式。由于傳統Si IGBT開關損耗較大，為了提高復合器件的效率，我們可以在開通時刻讓SiC MOSFET先導通，那么IGBT就可以實現零電壓開通。在關斷過程中，我們可以讓IGBT先關斷，由于此時SiC MOSFET還處于導通狀態，那么IGBT也可以實現零電壓關斷，這樣便可以減小IGBT的開關損耗提高系統的工作頻率。

圖三、復合器件驅動方式

圖四所示為當復合器件的開通延時和關斷延時為零時的波形（綠色為MOSFET電流波形，紫色為IGBT電流波形），其中母線電壓為400 V，電流為22 A。可以看出，由于MOSFET開關速度快，所以在開通過程中，MOSFET先導通，所有電流都將流經MOSFET。隨著IGBT的慢慢開通，由于IGBT的導通壓降較低，所以流經它的電流慢慢增加。最后在關斷過程，由于MOSFET關斷速度快，所以電流會全部流經IGBT。由于IGBT較長的拖尾電流，會產生較大的關斷損耗從而影響效率。

圖四、無延時時的實驗波形

為了提高效率減小關斷損耗，我們可以加入一定的開關延時和關斷延時從而來減小IGBT的開關損耗。圖五所示便是引入延時的實驗波形。可以看出，MOSFET先導通，所以IGBT可以完全實現零電壓開通。在關斷過程中，首先關斷IGBT，此時MOSFET仍處于導通過程中，所以復合器件壓降為零，因此IGBT也可以實現零電壓關斷。

圖五、有延時時的實驗波形

有大量文獻研究了不同延時下復合器件的損耗，從而得出最佳的開通延時和關斷延時時間。總體來說，開通延時不需要過長，因為，本身碳化硅器件開關速度快于硅器件，所以IGBT基本可以實現零電壓開通。對于關斷延時，應該盡量保證IGBT可以實現零電壓關斷。但是過長的關斷延時也會使復合器件效率下降，因為碳化硅器件的損耗會增加。

由于復合器件低成本高效率的特點，它們已經被應用于不同的場合。在實際應用中，為了提高復合器件的可靠性，器件的結溫應予以關注。如圖六所示，當電流為12 A左右時，流經IGBT的電流略大于MOSFET，因此它的導通損耗略大（電路為Boost電路，輸出電壓為200 V左右，開關頻率為20 kHz）。但另一方面，MOSFET的開關損耗要大于IGBT，因為IGBT基本實現了軟開關。綜合來看，兩個器件的結溫基本一致。

圖六、復合器件溫度特性（電流為12 A）

隨著電流的增加，越來越多的電流會流經IGBT從而使IGBT的導通損耗遠大于MOSFET。此時IGBT的結溫要高于MOSFET。

圖六、復合器件溫度特性（電流為20 A）

為了實現溫度的均衡，我們這里提出了一種變驅動電壓的方式來改變復合器件內部電流的分配，從而調節損耗以及溫度。它的基本原理就是根據圖七所示的器件驅動電壓與導通電阻的關系。可以看出器件的導通電阻隨著驅動電壓的增加而減小。那么利用這個特性，我們便可以去動態調節復合器件的電流分配從而實現溫度的均衡或者提供一個自由度去設計復合器件。圖八所示便是通過增加MOSFET的驅動電壓時的實驗結果。可以看出，MOSFET與IGBT的結溫基本一致，從而達到均溫的效果。

圖七、驅動電壓與導通電阻的關系

圖八、復合器件的溫度特性（電流為20 A，不同的驅動電壓）

變驅動電壓可以通過有源驅動的方式來實現。這樣通過理論和實驗分析，我們可以得到復合器件在不同工況下的最優驅動，可以利用查表的方法實現對復合器件全局工作范圍內的優化。圖九所示是復合器件工作在100 kHz時的工作波形。可以看出與傳統硅器件相比，復合器件可以大大提高開關頻率降低開關損耗。

圖九、復合器件工作在100 kHz

寫到這里，基本上也把我想講的大概都說完了。希望大家能夠對復合器件有一定的認識，知道它的原理以及工作模式，感興趣的讀者可以通過下面幾篇文獻來更深入的了解。