功率元件的直接串联运行极具挑战性。 自全控功率元件诞生以来，学术界和工业界对元件的串联运行做了大量的理论研究、技术开发和工程应用。 元件串联技术主要在IGBT元件串联方面发展。 为此，本节首先讨论IGBT元件串联的研究现状。 SiC器件系列技术继承自IGBT器件，由于SiC器件的特殊性，它与IGBT器件系列有很大不同。 针对目前单管SiC组件理论分析和工程应用面临的一系列挑战，要实现SiC组件的串联，需要从单管组件的个体行为入手，进而上升组件串联运行的基本原理和优化设计。
IGBT串联元件的研究现状
要实现串联组件的可靠运行，关键的挑战是如何保证串联组件之间的电流平衡。 IGBT组件串联技术的研究主要集中在组件电流不平衡机理、均压控制方法和串联技术应用三个方面。
针对串联组件的电流不平衡机理，有文献分析了串联IGBT的动态开关过程，将串联组件的电流不平衡归因于组件尾部电压范围内自旋股的差异，并给出了电流不平衡抑制措施。 有学者对大功率IGBT元件串联的电流不平衡机理进行了全面分析和比较研究，强调温度和外部电路参数也会改变电流不平衡度。 在实际应用中，元件工艺的一致性以及器件内外环境的一致性对元件的电流平衡有重要影响。 但由于内外部参数的随机误差，实际串联工作的元件之间必然存在不平衡电流，通常需要主动均压控制方法。
IGBT元件串联均压控制方法的基本框图如图1.7所示。 元件的电流误差经过采样后反馈到输入端，与指令值比较，控制驱动信号的幅值、驱动信号的相位等电压均衡控制的自由度通过硬件电路或控制算法来实现，进而实现串联元件的电流电压均衡。 。 从组件的角度来看，只有保证开关时电流或电压变化过程可控且一致，才能保证组件的电流平衡。 因此，理论上，采用IGBT有源闭环驱动方式有利于元件串联均压。 图1.8(a)所示为基于该思想的驱动信号幅控电压均衡方法示意图。 此类方法的缺点是实现复杂、抗干扰能力差。 由于组件电流不平衡对组件参数极其敏感，控制环路之间的微小差异仍然会导致较大的电流不平衡。 另一种常用的方法是栅极驱动信号的有源延迟电压均衡控制方法，如图1.8(b)所示。 该方案简单直观，但由于延迟时间与不平衡电流之间的物理关系不清楚，缺乏系统均压控制器设计的理论和技巧。 文献[45]提出了一种基于栅极驱动电压的均流方法，如图1.8(c)所示，通过在栅极驱动电路中添加耦合变压器来实现均压，但耦合变压器绝缘应力较高，体积大较大，其寄生参数过高，容易引起门环振荡。 有文献提出了基于功率环路耦合电感的电压均衡方法，如图1.8(d)所示。 但电源侧均压所需的耦合电感极大，增加了环路的体积和寄生参数。
另外，多管串联需要给每个元件分配独立的驱动信号，使得整体结构更加复杂。 一些文献提出了一种基于单个驱动信号来驱动一系列串联元件的结构，如图1.9(a)所示。 该方案依靠分散脉冲变压器实现隔离驱动。 变压器既可以提供驱动能量，也可以提供驱动脉冲，且方案成本相对较低。 缺点是速度很慢，难以自动均衡压力。 一些文献提出了基于自举电路的元件串联策略，如图1.9(b)所示。 该方案简单，可以实现独立均压。 缺点是上管的开关动作要等下管的开关动作完成后才能实现，因此电路无法实现元件的同步开关。
为了推动IGBT器件的串联应用，业界也对此做了大量的研究和实践，有的专利提出了基于串并联加多电平的实际应用拓扑。 如图1.10所示，某专利提出了基于五电平拓扑和串联中压大功率晶闸管的解决方案，并已成功应用于大容量逆变器。 此外，在电流等级较高但开关频率较低的应用中，压接式IGBT串联技术也已得到成熟应用。 压接式IGBT是一种特殊的封装结构，具有可靠性高、易于直接串联、较高的电流阻断能力等优点。 如图1.11所示，ABB借助压接式IGBT建立了第三代重载直流输电解决方案。 电流可达±150kV，功率可达350MW。 拥有多年的行业应用经验。
总结目前IGBT组件串联技术的研究现状可以看出，目前已经出现了一系列基于组件串联的串联均压方法和解决方案，其中部分已经应用于产品中。 其高效率、高功率密度的优势已在应用中得到体现。 在IGBT元件串联技术的基础上，对SiC元件串联技术的研究可以进一步拓展串联元件的优良性能。
SiC功率器件研究现状
由上可见，IGBT元件关断时存在的自旋短缺导致IGBT处于不受控状态，是造成电流不平衡的重要原因。 由于组件中不存在拖尾电压，因此可以通过驱动电流来控制整个动态过程，更有利于电压均衡策略的实施。 此外，SiC的开关速率非常快，比IGBT元件快十倍，使其对参数变化极其敏感[58]。 如何在保持高速开关特性的同时实现组件的电流平衡，是SiC组件串联研究的重点和难点。 为了实现SiC组件的串联，需要从单管组件的研究入手，包括组件的分析模型和驱动技术，因此组件的串联工作原理、设计和优化方法应该被考虑。
A. SiC 行为模型
通过功率元件的建模来描述开关过程中电热阻的变化规律。 功率器件的建模分为数学模型和行为模型。 数学模型以构件的几何结构和材料参数为基础，通过数值模拟软件实现构件的开关操作图。 数学模型可以取得很好的效果，但需要知道零部件的内部制造参数，同时使用有限元估算工具，具有精度高、速度慢、成本高等特点。 行为模型不关心组件的内部参数，以曲线拟合外部特性的形式描述组件的行为。 分析模型是行为模型的研究重点。 分析模型不依赖于仿真软件。 通过解析公式描述元件的开关动作。 估计速度快，数学边界清晰。 对于描述功率元件的参数变化规律和应用设计具有重要的指导意义。
由于SiC和硅功率器件结构相似，因此基于硅器件的建模方法也可以借鉴。 初始模型基于参数线性假设，通过邻极环的等效电路建模求解线性微分方程，获得描述组件的解析模型。 此类模型精度较差，仅适用于特定工况。 与硅元件相比，SiC元件在开关过程中越来越受到非线性因素的影响。 例如，其等效并联电容特性对元件开关动作的影响越来越受到人们的关注。 文献表明，SiC元件的等效并联电容的充放电电压与负载电压处于同一数量级，这会在元件开关过程中显着改变沟道电压。 这种现象在 组件建模中通常被忽略。 因此，最新的 SiC 元件行为模型重点关注电容的影响和传输特性的非线性特性。 一些文献考虑了元件开关过程中传输特性的非线性以及非线性结电容的影响。 实验表明，该模型的精度可以有效提高，但这些模型大多通过经验逼近处理非线性，部分假设缺乏理论支持。 同时，此类模型验证多在分立元件的封装中进行验证，往往具有较大的共源电感，而电源模块一般具有独立的栅极驱动电路，共源电感几乎为零。 在高速开关下，两者的动态过程存在显着差异。 分立元件的解析模型近似不适用于功率模块中高速动态开关过程的分析。
B. SiC驱动载流子抑制技术
SiC器件开关过程中形成的驻波问题和过流尖峰是限制SiC器件高速运行的主要因素。 然而，在串联应用中，通常在元件两端并联缓冲电容以抑制电流尖峰，因此噪声问题成为主要困境。 图1.12以推挽电路为例说明SiC中的噪声现象。 在下管开关过程中，功率环路和驱动环路的耦合寄生参数会在上管中引入寄生电流。 如果感应驱动电流超过栅极的阈值电流，就会导致元件误导通，产生额外的开关损耗，严重时甚至导致总线电容漏电。 如果感应负压超过组件闸门的允许负压范围，将会给组件的常年运行带来潜在的可靠性问题，严重的会导致闸门击穿，造成闸门永久性损坏。 与Si组件相比，SiC驱动器由于组件技术和高速运行特性而显着不同。 一方面，SiC的开关速率远低于Si器件，因此器件的工作对寄生参数非常敏感，包括寄生电容和共源环路耦合电感。 另一方面，由于SiC栅极氧化层缺陷较多，栅极电流开通阈值高于Si器件，耐受栅极负压也高于Si器件。 因此，断态驱动电流的耐受范围远高于Si元件。 在SiC器件高速驱动相关的研究中，载流子电焦虑控制一直是学术界常年关注的研究热点。
鉴于此，许多文献对元件切换形成的驻波问题进行了研究。 由于元件噪声问题始于元件的高速开关，因此降低元件的开关速率是直观的解决方案。 有文献通过闭环控制dv/dt来实现噪声抑制。 在文献中，通过与栅极并联一个额外的电容器来抑制载流子。 这种方法会增加开关速率，导致额外的损耗。 另一个想法是通过栅极负电压驱动来提高噪声电流容限。 有文献通过电平翻转电路在栅极电容上引入负电压，提前对电荷进行预充电，以抑制元件的误动作。 此类方法的疗效受到SiC组件有限的负压范围的阻碍。 同时，由于元件的多个寄生参数，引入的负压可能会减缓拥塞现象。 作为改进措施，在门环路中引入低阻抗路已成为主流方案，如图1.13所示。 一些文献采用这种方法来抑制纹波。 但受限于元件内部驱动阻力较大，这种抑制疗效的方式受到一定程度的阻碍。
C. SiC功率元件串联
最初用于系列应用的 SiC 元件是 SiC 结型场效应晶体管 (SiC JFET)。 有文献提出了将SiC JFET元件加全控元件级联的方法，实现元件的串联工作，如图1.14所示。 其优点是只需要一个门信号即可实现元件的串联操作。 底部的元件导通（或截止）后，负载电压依次对与JFET元件栅极并联的结电容进行放电（或充电），从而使元件导通（或截止）依次。 该电路的缺点是元件的切换是分步实现的，速率的内生性不一致，使得元件的偏转不平衡不可避免。 另外，由于JFET元件的导通或关断是通过负载电压对电容器的充放电来完成的，因此元件的开关速率由负载电压决定。 一方面使得开关速率不可控，另一方面负载电压较低时开关损耗会变大。
由于SiC JFET是常闭元件，因此除少数应用外，JFET并未得到业界广泛接受。 为此，后续对SiC元件串联的研究很快转移到串联上，主要包括均压和串联结构研究。 。
SiC串联运行的均压模式一般分为无源均压模式和有源均压模式。 无源均压电路包括内部阻容（RC）缓冲电路、静态均压内阻、电压钳位缓冲电路等。其中，静态均压内阻用于平衡关断状态下的元件电流， RC缓冲电路用于平衡开关状态下的电流，两者一般结合使用。
由于元件的并联电容将来会提高开关速率，因此实际使用中缓冲电容应尽可能小。 主动均压控制方法可以实现电流平衡并增加开关损耗，因此引起了兴业的关注。 有文献从模块对地电容的差异来分析串联元件的电流不平衡，提出通过栅极注入电压补偿分布电容电压来实现电流平衡。 也有文献提出了一种控制串联元件电流不平衡的高精度延时实现方法。 但这类主动均压控制方法的原理多是基于定性分析，缺乏不平衡电流的定量模型，缺乏参数设计依据，使得控制环路不稳定，难以保证电流的有效性。多参数、多工况下的平衡。
组件系列研究的另一类是拓扑和实用研究。 有文献提出了基于SiC芯片串并联混合结构的3600V/80A组件，如图1.15所示。 该装置采用三个器件串联、多个芯片并联，只需一个栅极驱动信号控制。 该模块还可以串联更多模块结构，实现更大电流、更高电压，为SiC在高电压、高电压条件下工作提供了新思路，初步展现了串联元件的优异性能。 有文献将串联元件用于直流断路器，并通过单个控制信号来控制串联元件的操作。 文献中有很多促进SiC元件串联的工程应用设计。 然而，电压均衡方法仅使用RC缓冲电路，这将额外减少开关损耗。
面对挑战
SiC功率器件的系列化应用面临一系列理论和技术挑战。 一方面，对SiC单管元件在非线性多重寄生参数作用下的开关机理研究不够深入，缺乏定量的理论模型。 然而，串联应用中的多重寄生效应和高速特性增加了模型分析的难度。 另一方面，SiC串联电流不平衡机理的理论支持不足，电压均衡方法的研究还处于起步阶段。 相关挑战包括：
考虑非线性参数影响的SiC精确解析模型：对于高速开关的元件，目前的行为模型无法综合考虑元件开关过程中多参数非线性时变特性的影响，导致应用范围较窄的解析模型，误差较大。 同时，目前分析模型的推断和验证多是针对功率相对较小的分立器件，没有考虑大容量功率模块特殊封装特性的分析模型。 缺乏准确的分析模型，无法准确指导零部件的性能分析和应用设计，准确描述关键参数的设计边界。
多重寄生参数作用下的SiC高速开关噪声抑制方法：针对桥臂电路中的栅极电流驻波现象，感应噪声电流与封装结构之间的内在关系尚不清楚。 SiC器件高速开关时的噪声电流是由功率环路和栅极环路的电参数耦合引入的。 该参数缺乏综合考虑感应噪声电流的影响。 噪声电流分析研究缺乏精确的理论模型，导致相关抑制方法的思路不清晰。 特别是对于耦合电感大、内部驱动电阻大的SiC器件，现有的噪声抑制方法很少考虑共源电感的影响，抑制的疗效严重有限串联和并联哪个总功率大，需要寻求新的解决方案。
高速开关下SiC元件串联电流不平衡的机理：在高速开关时，SiC开关行为对元件参数的变化极为敏感，而实际元件的各种参数总是存在一定程度的差异，因此SiC串联电流不平衡是多种因素耦合作用的结果。 现有的SiC串联不平衡电流机理分析停留在定性分析阶段，导致串联应用的电路参数设计缺乏准确的分析模型，对不平衡电焦控制方法缺乏理论指导，极大地影响了SiC串联不平衡电流的机理分析。限制了串联元件开关性能的提高。
基于独立自由度的高速SiC系列电流平衡控制方法：现有的缓冲电路均压和主动驱动均压方法往往会改变元件本身的开关速率，从而带来额外损耗。 理想器件的均压电路和方式不能改变器件本身的开关速率，即均压控制本质上是微分控制。 在全电压均衡的情况下，控制对象的输出应为零，从而实现电流平衡控制功能和器件驱动功能的完全前馈。 同时，为了实现串联元件的电流平衡，需要重构SiC高速开关波形串联和并联哪个总功率大，要求电流平衡控制方法具有超高速响应能力和动态运行稳定性，从而实现均压支路的高速稳定工作。
参考文献：李成民，大容量SiC系列关键技术研究[D]，四川大学，2019