絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和碳化硅(SiC)MOSFET是現代電動汽車牽引系統的核心元件。盡管IGBT以魯棒性和成本效益著稱，但其固有的高開關損耗和較慢開關速度會降低系統效率，尤其在高頻和低負載工況下表現更為明顯。

相比之下，基于SiC的逆變器雖具有更低開關損耗和更高效率，但其制造成本較高且依賴先進工藝。混合SiC/IGBT方案旨在融合SiC的高效快速與IGBT的穩健經濟，從而在低負載和部分負載工況下優化性能，同時控制系統成本。

此前硬開關脈寬調制逆變器的混合開關嘗試曾因硅MOSFET體二極管反向恢復問題受阻。而SiC體二極管近乎可忽略的反向恢復特性，使得混合開關無需輔助零電壓開關電路即可實現更高效率。

盡管預計未來五年SiC器件成本將隨制造工藝提升和規模效應下降，但供應鏈限制和材料短缺仍帶來不確定性。混合開關技術作為極具吸引力的折中方案，既能發揮SiC在中低負載下的優勢，又可保留IGBT在大電流工況下的可靠性。

混合開關工作原理

該技術需精確匹配半導體電氣特性并設計嚴謹的柵極控制策略，這增加了系統設計復雜度。提出的控制策略要求SiC器件略早于IGBT開啟并稍晚關閉，這種時序優化可顯著降低開關損耗，提升逆變器整體效率。

現有實驗多聚焦于單器件小型原型，但實際應用(如車用牽引逆變器)需多器件并聯，這使控制與性能動態復雜化。例如，當并聯IGBT間時序未精確優化時，其高輸出電容會嚴重影響開關特性。

雙脈沖測試平臺方案

針對這些挑戰，團隊開發了新型雙脈沖測試平臺(DPTP)。該平臺采用專為多器件并聯評估設計的T-PAK封裝，可便捷集成測試牽引逆變器混合開關。

目標逆變器工作參數為400V直流母線電壓、1200A峰值電流和10kHz開關頻率，采用3個意法半導體IGBT與1個SiC MOSFET組成的混合開關，電流分配比為3:1(圖1)。這種設計下SiC MOSFET承擔總電流的1/4，三個IGBT分擔3/4。

DPTP采用低寄生電感母線設計，具備層狀絕緣導體、器件定位集成槽和羅氏線圈電流檢測等特征。其模塊化結構簡化了特性表征流程，優化了開關參數識別。

創新型T-PAK封裝將多功率半導體集成于緊湊結構，優化了熱管理和電氣性能。DPTP可快速表征混合開關，精準確定最佳開關時序，提取關鍵開關參數。

測試流程通過納秒級高分辨率延時設置微調SiC與IGBT的開關時序，包括電容預充電、微控制器門極信號調控、波形采集及Python數據處理，能快速提取不同電流負載下的開關能量等核心指標。DPTP方法學還補償了電容放電導致的電壓跌落，確保測量精度(參數詳見表1)。

實驗結果

在90A至570A電流范圍內對比測試顯示：采用最優時序策略時，混合開關的開關損耗顯著低于純IGBT方案，并接近全SiC配置水平。其中SiC器件在開啟時提前120ns、關斷時延遲840ns的時序方案能實現最優能效與可靠性平衡。

當電流低于300A時，SiC器件可優先導通而不超出安全工作區;更高電流則需采用不同換相時序以維持熱安全裕度。

熱分析

基于器件手冊參數和全球輕型車測試規程建立的詳細熱模型證實：SiC結溫升始終處于安全限值內(最高ΔTj為35℃)，驗證了動態駕駛工況下控制策略的可行性。

研究表明，SiC MOSFET與硅IGBT構成的混合開關為EV牽引逆變器提供了性能與成本的理想平衡。DPTP平臺大幅簡化了特性表征過程，能快速優化控制策略。該混合方案在影響電動車續航的關鍵低/部分負載工況下提升能效，同時保持系統成本低于全SiC方案。未來研究將聚焦于完整駕駛循環模擬集成及實際工況下的熱模型優化。