碳化硅在下一代工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器中的作用
2021-4-27 來源：安森美半導(dǎo)體工業(yè) 作者：Ali Husain
國際能源署(IEA)估計(jì)，電機(jī)功耗占世界總電力的45%以上。因此，找到最大化其運(yùn)行能效的方法至關(guān)重要。能效更高的驅(qū)動裝置可以更小，并且更靠近電機(jī)，從而減少長電纜帶來的挑戰(zhàn)。從整體成本和持續(xù)可靠性的角度來看，這將具有現(xiàn)實(shí)意義。寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)將有望在實(shí)現(xiàn)新的電機(jī)能效和外形尺寸基準(zhǔn)方面發(fā)揮重要作用。
使用WBG材料如碳化硅(SiC)可制造出性能超越硅(Si)的同類產(chǎn)品。雖然有各種重要的機(jī)會使用這項(xiàng)技術(shù)，但工業(yè)電機(jī)驅(qū)動正獲得最大的興趣和關(guān)注。
SiC的高電子遷移率使其能夠支持更快的開關(guān)速度。這些更快的開關(guān)速度意味著相應(yīng)的開關(guān)損耗也將減少。它的介電擊穿場強(qiáng)幾乎比硅高一個數(shù)量級。這能實(shí)現(xiàn)更薄的漂移層，這將轉(zhuǎn)化為更低的導(dǎo)通電阻值。此外，由于SiC的導(dǎo)熱系數(shù)是Si的三倍，因此在散熱方面要高效得多。因此，更容易減小熱應(yīng)力。
傳統(tǒng)的高壓電機(jī)驅(qū)動器會采用三相逆變器，其中Si IGBT集成反并聯(lián)二極管。三個半橋相位驅(qū)動逆變器的相應(yīng)相線圈，以提供正弦電流波形，隨后使電機(jī)運(yùn)行。逆變器中浪費(fèi)的能量將來自兩個主要來源-導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。用基于SiC的開關(guān)代替Si基開關(guān)，可減小這兩種損耗。
SiC肖特基勢壘二極管不使用反并聯(lián)硅二極管，可集成到系統(tǒng)中。硅基二極管有反向恢復(fù)電流，會造成開關(guān)損耗（以及產(chǎn)生電磁干擾，或EMI），而SiC二極管的反向恢復(fù)電流可忽略不計(jì)。這使得開關(guān)損耗可以減少達(dá)30%。由于這些二極管產(chǎn)生的EMI要低得多，所以對濾波的需求也不會那么大（導(dǎo)致物料清單更小）。還應(yīng)注意，反向恢復(fù)電流會增加導(dǎo)通時的集電極電流。由于SiC二極管的反向恢復(fù)電流要低得多，在此期間通過IGBT的峰值電流將更小，從而提高運(yùn)行的可靠性水平并延長系統(tǒng)的使用壽命。
因此，如果要提高驅(qū)動效率及延長系統(tǒng)的工作壽命時，遷移到SiC 肖特基顯然是有利的。那么我們何以采取更進(jìn)一步的方案呢？如果用SiC MOSFET取代負(fù)責(zé)實(shí)際開關(guān)功能的IGBT，那么能效的提升將更顯著。在相同運(yùn)行條件下，SiC MOSFET的開關(guān)損耗要比硅基IGBT低五倍之多，而導(dǎo)通損耗則可減少一半之多。
WBG方案的其他相關(guān)的好處包括大幅節(jié)省空間。SiC提供的卓越導(dǎo)熱性意味著所需的散熱器尺寸將大大減少。使用更小的電機(jī)驅(qū)動器，工程師可將其直接安裝在電機(jī)外殼上。這將減少所需的電纜數(shù)量。
安森美半導(dǎo)體現(xiàn)在為工程師提供與SiC二極管共同封裝的IGBT。此外，我們還有650 V、900 V和1200 V額定值的SiC MOSFET。采用這樣的產(chǎn)品，將有可能變革電機(jī)驅(qū)動，提高能效參數(shù)，并使實(shí)施更精簡。
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