變速驅(qū)動器和基于寬帶隙的逆變器技術(shù)的影響

考慮到SiC MOSFET在高壓應(yīng)用中與IGBT相比的技術(shù)優(yōu)勢，人們顯然會為新設(shè)計選擇寬帶隙組件，尤其是在應(yīng)用中驅(qū)動高功率密度和低損耗的情況下。

無論如何，更廣泛推出的最大障礙是 SiC 與硅相比的成本以及對新技術(shù)成熟度的一些擔(dān)憂。過去幾年，通過公開討論挑戰(zhàn)和潛在解決方案以實現(xiàn)類似于硅技術(shù)的現(xiàn)場可靠性，后一個問題已成功解決。為了應(yīng)對成本挑戰(zhàn)，關(guān)鍵方面是確定伴隨 SiC 實施的系統(tǒng)優(yōu)勢，這些優(yōu)勢可以證明更高的成本是合理的。

這些主要是通過利用功率密度方面來發(fā)現(xiàn)的（例如，通過更高的開關(guān)頻率啟用更小的電感組件，或者由于要消散的損耗更低而更小的散熱器）。突出的例子是太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、用于伺服驅(qū)動的電機驅(qū)動逆變器或電動汽車領(lǐng)域的快速充電系統(tǒng)。

幾十年來，工業(yè)電機驅(qū)動器一直不是 SiC MOSFET 的重點應(yīng)用，盡管它背后有巨大的市場。它之所以成立，主要是因為對快速開關(guān)不感興趣，因此，電機驅(qū)動器似乎超出了 SiC 的應(yīng)用范圍。一些特殊用例除外，例如有源前端或具有濾波輸出的電機驅(qū)動器，因為在這些解決方案中，高頻和高 dV/dt 是可能的，并為系統(tǒng)帶來優(yōu)勢。僅以逆變器和電機之間的正弦輸出濾波器為例，其技術(shù)優(yōu)勢是顯而易見的：電機上沒有 dV/dt 相關(guān)的應(yīng)力，沒有昂貴的屏蔽電纜，也沒有討論所用開關(guān)的短路能力. 在硅領(lǐng)域，這些方法并不成功，因為過濾器非常昂貴且體積龐大，假設(shè) IGBT 的開關(guān)頻率有限。然而，SiC MOSFET 將帶來新的機遇。

同時，很明顯，即使對于低開關(guān)頻率和可比的、低于 10 kV/μs 的常用開關(guān)斜率（例如電機驅(qū)動器中的開關(guān)斜率），也可以看到損耗降低，這主要是由于在部分通態(tài)模式下節(jié)省了負載或缺少尾電流和 Q rr相關(guān)的開通損耗。由于此類應(yīng)用中的特殊任務(wù)配置，伺服電機驅(qū)動器成為 SiC MOSFET 初始實施的理想用例（參見圖 1）。根據(jù) SiC MOSFET 的阻性輸出特性，可以證明損耗可以降低 80% 以上。這反過來又實現(xiàn)了創(chuàng)新的冷卻解決方案，例如無風(fēng)扇驅(qū)動器或?qū)㈦姍C驅(qū)動器直接集成到電機上。這些選項為工業(yè)機器人開辟了新的機會，如圖 2 所示，或者允許對非變頻舊電機驅(qū)動器進行輕松翻新，以利用這一舉措背后的巨大節(jié)能潛力。

圖 1：伺服驅(qū)動器的關(guān)鍵要求

圖 2：由 SiC MOSFET 和直接逆變器電機集成實現(xiàn)的新型工業(yè)機器人設(shè)計

SiC MOSFET 的一個特殊應(yīng)用是電力系統(tǒng)的輔助電源，在直流鏈路上運行。在這些解決方案中，電源通常直接由高壓直流鏈路供電，因此，高壓能力和快速切換是常見的要求。此類電路的硅基解決方案要么價格昂貴且損耗高（如高壓硅 MOSFET），要么在多級設(shè)置中實施時非常復(fù)雜。由于所需的歐姆額定值也相當(dāng)高（500 mΩ 至 1 Ω），因此所需的 SiC 芯片尺寸很小。這是 SiC 在組件級別的成本方面能夠勝過硅功率器件的極少數(shù)例子之一。

SiC MOSFET 可實現(xiàn)簡單的反激式解決方案。由于低損耗，該組件現(xiàn)在也可以在 SMD 封裝中實現(xiàn)，因此，組裝可以自動化，不再需要笨重的散熱器。最后，通過采用一些柵極驅(qū)動條件，系統(tǒng)可以直接在控制器之外運行，不再需要驅(qū)動 IC。

為了公平地評估結(jié)束，應(yīng)該包括基于 SiC 的功率器件與 IGBT 相比的一些缺點：

熱性能，由于芯片尺寸非常小，與處理相同功率的硅基解決方案相比，其 R th值要高得多。事實上，盡管總功率損耗明顯小于硅芯片，但損耗功率密度通常要高得多。因此，需要智能熱堆棧。

SiC芯片的功率循環(huán)性能，對于相同的芯片貼裝技術(shù)而言，與硅相比更小，僅達到功率模塊中硅能力的三分之一左右。主要原因是碳化硅的楊氏模量較高，對背面接頭造成較高的機械應(yīng)力。

已經(jīng)討論過的短路耐受時間限制。

一些更進一步但不太重要的方面可能會添加到列表中，例如，需要為 SiC MOSFET 驅(qū)動器提供穩(wěn)定的電源，以固定目標(biāo) V GS(on)，這是強制性的，因為 SiC 的跨導(dǎo)較弱.

審核編輯：郭婷