Tesla：減少75%的SiC用量！會是它嗎？

Tesla, 減少75%的碳化硅用量！這......要逆天？不可能，絕對不可能！但作為一個接觸到的都是工業(yè)方面應用的我來說，首先，我不是很了解汽車領域的主流方案，不知道到了那種程度，但作為第一個在電動汽車上大量導入碳化硅的特斯拉來說，不可能空穴來風地大放厥詞。其次，我也不允許他在我們?nèi)绱丝春锰蓟璧臅r候給我們來個“倒退”。那應該如何去看待技術界的“大瓜”呢。

現(xiàn)在是凌晨一點，十二點的我還懶在酒店的沙發(fā)上刷手機，刷到了很多關于特斯拉的優(yōu)秀公眾號文章，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，看到拓撲圖的那一刻，“我們好像在哪兒見過，你記得嗎？”（第一次用iPad寫文章，多包含）

突然記起之前有看到過一篇涉及到這樣子的文獻，但是當時只是略微看了下，因為相對于當時接觸到的應用方案，我認為還要好些時間才能碰到它?？墒?，時間總是喜歡跟我玩漂移，白駒過隙似的，這么快可能就到它了。可能很多前輩早已看透這一些，但對于我而言還是需要好好學習學習的，今天我們就來一起看看這是怎么一回事......

當下

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，比如三電平拓撲中高頻管換成SiC MOSFET等等。以上我們之前提到過，是在性能和成本之前權衡后產(chǎn)生的過渡方案，而上圖Si IGBT和SiC MOSFET并聯(lián)應用的方案可以說沒見過。

碳化硅目前討論最多的還是單極性器件，包括SBD和SiC MOSFET，當然雙極性SiC IGBT也是頗有討論，但仍有待進展。

碳化硅的眾多優(yōu)勢我們這邊就不再贅述了，但高開關速度下的串擾和振蕩以及略小的短路耐受能力給我們再實際應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，但短路和振蕩顯得稍能讓人接受，所以結合彼此的長短，以及考慮成本的基礎上出現(xiàn)了這種“新”的拓撲，兩者并聯(lián)的交叉開關（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：

就像我們前文說的，這種混合碳化硅模塊本質(zhì)上也是性能和成本的結合，看完下文你會發(fā)現(xiàn)它和Tesla所說的75%是多么契合。

有幸還能找到那篇文獻，其中它針對XS，純Si IGBT和純SiC MOSFET，并基于雙脈沖測試進行了對比，我們一起來看看～～～

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%，也就是說減少了75%！

純Si IGBT：由于XS是兩個芯片并聯(lián)，所以這邊也是采用兩個IGBT并聯(lián)達到50Ａ/1200V

純SiC MOSFET：兩并達到50Ａ/1200V

當然，為了充分的對比，首先針對XS和單個Si IGBT和單個SiC MOSFET進行了對比，如下：

25攝氏度下的傳輸特性曲線對比

150攝氏度下的輸出特性曲線

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更小的導通壓降，即導通損耗；在小電流下能夠擁有比純Si IGBT更小的導通壓降。這權衡了分別在大小電流下兩個純期間的劣勢，同時由于XS的大面積，熱阻相對于純SiC會更小，但這一點顯示熱性能有所提高。這是靜態(tài)特性的對比，我們來看看動態(tài)特性下，三者的對比。

采用雙脈沖測試來進行開關特性的對比，電路圖如上，電感為60nH，50A/1200V的SiC SBD，Rg,off為10ohm。

從關斷波形我們可以看到，純SiC MOSFET關斷速度最快，而純Si IGBT因為少子存儲導致的關斷慢并帶拖尾，XS混合處在兩者之間，緩解了SiC由于關斷速度較快而導致的電壓尖峰，同時也緩解了純Si IGBT由于拖尾而導致的較大損耗?？梢哉f又是兼顧到了純SiC MOSFET和Si IGBT的優(yōu)劣勢。

另外，還給出了關斷損耗和電壓尖峰跟關斷電阻Rg,off的依賴關系:

從整個Rg,off范圍來看，XS混合模塊的關斷損耗比Si IGBT降低了約40%，電壓過沖相對于SiC MOSFET同樣是大幅降低。

同樣還給到了開通波形的對比：

可以看到開通過程沒有太大變化，主要還是和SiC SBD的關系更大一點，僅針對這個測試電路而言。

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，但到多大程度個人覺得還待考究，但這個過程要考慮SiC芯片技術的發(fā)展。

最后

綜上，我們可以看到XS混合模塊早前就已開始研究，只是少為人知，初步的研究結論有以下幾點:

?成本較純SiC降低

?低傳導損耗和開關損耗，在相對較軟的關斷過程下，達到了中和

?熱阻相對純SiC有所降低，熱性能改善

?提高了短路能力

所以，你覺得75%這個數(shù)字是不是越看越像這種，當然這也是大伙猜得最多的可能，今天我們一起了解了XS混合模塊的性能對比，好像真的會很受歡迎。

但我認為這并不是“倒退”，也不是說我們看好的碳化硅不對，只是在大環(huán)境下的一種trade-off。在這一點上，我還是想給Tesla點個贊，不為別的，在大家都往純碳化硅模塊奮進的時候還能提出這樣一種想法，先不管它指的是不是我們說的XS混合模塊，至少它不會說空話。

當然，芯片技術，封裝，拓撲等等，最大的不變就是變化！一切皆有可能！

最后，希望今天的內(nèi)容你們能夠喜歡！Have a nice day！

參考文獻：'Characterization of a silicon IGBT and silicon carbide MOSFET cross-switch hybrid' Munaf Rahimo