功率半導(dǎo)體是電機(jī)逆變器的關(guān)鍵部件

電動機(jī)塑造了世界，并在各個層面繼續(xù)如此。它們的范圍從實現(xiàn)簡單家庭功能自動化的小型電機(jī)到可以移動山脈的重型電機(jī)?，F(xiàn)在使用的電動機(jī)的數(shù)量和種類是驚人的，因此了解電動機(jī)及其控制系統(tǒng)幾乎占全球消耗的全部電力的一半也就不足為奇了。

進(jìn)一步細(xì)分，全球約 30% 的電力用于驅(qū)動工業(yè)應(yīng)用中的電機(jī)[1]。從絕對數(shù)字來看，能源的消耗量在世界工業(yè)部門預(yù)計，到2040年將翻一番隨著增加資源有限的能源和成本，無論是在環(huán)境和融資條件，需要在更大的使用效率意識驅(qū)動電機(jī)的電力變得更加突出。

低壓驅(qū)動器——要求和要求

在市場的低壓部分（標(biāo)準(zhǔn)和緊湊型），應(yīng)用可分為輕型或重型。從驅(qū)動器的角度來看，主要區(qū)別在于輕型電機(jī)和控制器通常必須在加速期間（例如在泵和風(fēng)扇應(yīng)用中）在短時間內(nèi)維持 110% 的逆變器輸出電流的超速驅(qū)動（圖 1）。重型電機(jī)和控制裝置通常需要設(shè)計成能夠承受高達(dá)標(biāo)稱逆變器電流 150% 的過載。這種較高的過載電流歸因于傳送帶的加速階段等。

圖 1：過載能力定義了在 110%（輕負(fù)載/正常負(fù)載）和 150%（重負(fù)載）之間的加速操作期間高于額定電流的時間段。

驅(qū)動器用IGBT7

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的獨特和特定要求需要一種新的 IGBT 設(shè)計方法。使用正確的 IGBT 技術(shù)，可以創(chuàng)建更適合滿足這些需求的模塊。這是英飛凌采用其最新一代 IGBT 技術(shù) IGBT7 所采用的方法。在芯片級，IGBT7 使用微圖案溝槽 (MPT)，其結(jié)構(gòu)有助于降低正向電壓并增加漂移區(qū)的導(dǎo)電性。對于具有中等開關(guān)頻率的應(yīng)用，例如電機(jī)驅(qū)動器，IGBT7 比前幾代產(chǎn)品顯著降低了損耗 。

與上一代 (IGBT4) 相比，IGBT7 提供的另一項改進(jìn)是續(xù)流二極管，該二極管也針對驅(qū)動應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。此外，發(fā)射極控制二極管 EC7 的正向壓降現(xiàn)在比 EC4 二極管的正向壓降低 100 mV，并具有改進(jìn)的反向恢復(fù)軟度。

用于伺服驅(qū)動器的 SiC MOSFET

隨著跨行業(yè)使用更多自動化，對伺服電機(jī)的需求相應(yīng)增加。它們將精確運動控制與高扭矩水平相結(jié)合的能力使它們非常適合自動化和機(jī)器人技術(shù)。

憑借其制造專業(yè)知識和長期經(jīng)驗，英飛凌開發(fā)了一種 SiC 溝槽技術(shù)，該技術(shù)提供比 IGBT 更高的性能，但具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)健性，例如 2 μs 甚至 3 μs 的短路時間。英飛凌的 CoolSiC? MOSFET 還解決了 SiC 器件固有的一些潛在問題，例如不需要的電容導(dǎo)通。此外，碳化硅 MOSFET 采用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 TO247-3 封裝，現(xiàn)在采用 TO247-4 封裝，具有更好的開關(guān)性能。除了這些 TO 封裝外，SiC MOSFET 還提供 Easy 1B 和 Easy 2B 封裝。

1200 V CoolSiC? MOSFET 的開關(guān)損耗比相應(yīng)的 IGBT 替代品低 80%，另外還有損耗與溫度無關(guān)的優(yōu)勢。然而，與 IGBT7 一樣，開關(guān)行為 (dv/dt) 也可以通過柵極電阻進(jìn)行控制，從而提供更大的設(shè)計靈活性。

圖 2：碳化硅 MOSFET 簡化了電機(jī)中的逆變器集成

因此，基于較低的恢復(fù)、導(dǎo)通、關(guān)斷和導(dǎo)通狀態(tài)損耗，使用 CoolSiC? MOSFET 技術(shù)的驅(qū)動解決方案可以將損耗降低多達(dá) 50%（假設(shè)類似的 dv/dt）。CoolSiC? MOSFET 還具有比 IGBT 更低的傳導(dǎo)損耗，尤其是在輕負(fù)載條件下。

除了整體更高的效率和更低的損耗外，碳化硅技術(shù)實現(xiàn)的更高開關(guān)頻率在更動態(tài)的控制環(huán)境中對外部和集成伺服驅(qū)動器有直接的好處。這是可能的，因為在不斷變化的電機(jī)負(fù)載條件下電機(jī)電流的響應(yīng)速度更快。

把這一切放在一起

雖然將整流器、斬波器和逆變器集成到單個模塊中可在功率密度和開關(guān)效率方面帶來好處，但電機(jī)驅(qū)動器還需要閉環(huán)系統(tǒng)才能正確高效地運行。

更具體地說，無論使用何種開關(guān)技術(shù)，都必須配備正確的柵極驅(qū)動器解決方案。需要柵極驅(qū)動器將用于打開和關(guān)閉開關(guān)器件的低壓控制信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)本身所需的高壓驅(qū)動信號。通常，控制信號將來自主機(jī)處理器。由于每種開關(guān)技術(shù)在輸入電容和驅(qū)動電平方面都有其獨特的特性，因此將其與正確的柵極驅(qū)動器相匹配至關(guān)重要。作為目前使用的所有電源技術(shù)的開發(fā)商和供應(yīng)商，英飛凌為其 Si MOSFET、Si IGBT、SiC MOSFET 和 GaN-HEMT 提供優(yōu)化的柵極驅(qū)??動器。

控制回路的最后但同樣重要的部分是傳感器，它在電機(jī)和控制器之間提供部分反饋。為此目的，通常使用電流傳感器。英飛凌開發(fā)了一種霍爾效應(yīng)解決方案，無需鐵磁集中器，使其更簡單，干擾更少。這使其成為完全集成的伺服電機(jī)的理想選擇。

XENSIV? 系列電流傳感器（例如 TLI4971）是差分霍爾電流傳感器，可提供高磁場范圍和低偏移值。此外，它們沒有磁滯，并具有良好的雜散場抗擾度。由于采用了無芯概念，它們的緊湊尺寸支持高度集成，而它們的超低功耗和功能隔離使它們非常靈活和可靠。

審核編輯：劉清