【干貨分享】針對電機控制應用如何選擇寬帶隙器件？

在功率轉(zhuǎn)換應用中，使用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料的寬帶隙（WBG）半導體器件作為開關，能讓開關性能更接近理想狀態(tài)。相比硅MOSFET或IGBT，寬帶隙器件的靜態(tài)和動態(tài)損耗都更低。此外還有其他一些優(yōu)勢，如更高的工作結(jié)溫和更好的熱導率，至少碳化硅器件是這樣的。

最重要的是碳化硅的導熱性能要優(yōu)于硅（Si）。在電機控制領域，上述好處特別有吸引力，不僅可以節(jié)約能源，還能讓驅(qū)動電子器件減少成本、尺寸和重量。

碳化硅和氮化鎵器件在常態(tài)傳導損耗和擊穿電壓方面的極值更高，讓它們具有相比硅器件更好的性能表現(xiàn)（參見下圖）。但在電子領域，選擇哪款器件，很難做到直截了當。隨著銷售額的增長，現(xiàn)有的IGBT和MOSFET技術也在不斷得到提升。因此，我們應當先思考一下，改用寬帶隙器件是否有意義，什么時候改用寬帶隙器件比較好，然后再決定是選用碳化硅器件還是氮化鎵器件。

IGBT在電機控制方面有很多優(yōu)點，尤其是在大功率的情況下，它們近乎恒定的飽和電壓能使傳導損耗保持在較低的水平，并且大致上與傳輸?shù)诫姍C的功率成正比。不過，在開關切換過程中損耗的功率很高，尤其是在關斷時。這是由于少數(shù)載流子重新組合時產(chǎn)生尾“電流”，但電機控制器的開關頻率通常很低，因此平均下來損耗量還是很低的。事實上，在IGBT制造過程中，會考慮到尾電流和飽和電壓的平衡。所以會針對10-20 kHz的典型電機脈沖寬度調(diào)制（PWM）頻率，對器件損耗進行優(yōu)化。并聯(lián)一個二極管，可以處理反向?qū)ɑ驌Q向產(chǎn)生的感性負載，或用于雙向功率轉(zhuǎn)換。這個二極管通常是碳化硅材料的，而且采用了共封裝。也許IGBT最大的優(yōu)勢在于其較低的成本和經(jīng)過驗證的穩(wěn)健性（如果僅從它較大的晶圓帶來更好的熱容這個角度看）。

在相對較低的功率（幾千瓦的功率）、1200V左右的條件下，電機控制通常會選用硅MOSFET，其切換邊界的功率耗散相對較低。電機仍然決定著最佳PWM頻率，在10 kHz左右時，各類器件在開關損耗方面的優(yōu)勢差距不大。一些高速、低電感電機還會受益于更高的PWM頻率，因為它減少了電流紋波（current ripple），提高了響應能力。

傳導損耗取決于MOSFET的導通電阻，并與電流的平方成正比。因此，隨著功率的增加，MOSFET的性能很快就變得不可接受了。但是，與MOSFET電流平方成比例的損耗也有優(yōu)勢。對于一部分應用，它們的電機大部分時間在較低或中等功率范圍內(nèi)運行（相對于最大功率而言，如牽引驅(qū)動）。與在集電極-發(fā)射極（collector-emitter）上具有幾乎恒定的飽和電壓的IGBT相比，MOSFET在傳導損耗方面具有優(yōu)勢。MOSFET可以通過并聯(lián)減少電阻，而且它們確實有一個優(yōu)勢，那就是內(nèi)置了體二極管，可用于換向和雙向傳導。另外，溝道本身也可以在柵極的控制下反向傳導，而且損耗較低。

不同材料的開關器件對比

圖1：硅、碳化硅和氮化鎵器件的理論性能極限值對比

寬帶隙器件的利與弊

那么，寬帶隙器件有什么優(yōu)缺點呢？圖1顯示，在管芯面積和額定電壓相同的條件下，寬帶隙器件的傳導損耗可以低于硅MOSFET，這是因為寬帶隙材料臨界擊穿電壓更高，溝道可以更短。氮化鎵更好的電子遷移率也降低了導通電阻。在中低功率下，電流器件的傳導損耗也可以低于IGBT。例如，在50 A時，IGBT飽和電壓1.5 V，導通時耗散75 W功率。導通電阻為30毫歐姆的硅MOSFET或氮化鎵HEMT（高電子遷移率晶體管）單元也會耗散相同的功率，正如前面所述。如今，1200 V的器件很容易達到這一數(shù)字，比如額定電流為60A、裸片電阻為20毫歐姆的onsemi SiC MOSFET NTC020N120SC1。這些MOSFET可以通過并聯(lián)獲得更好的性能。但是它們的電阻是在25°C時測算的，而且電阻會隨著溫度的升高而增大。碳化硅 MOSFET和硅MOSFET一樣，也有一個體二極管。它的速度非?？欤聪蚧謴碗姾珊艿?，但比硅器件有著更高的正向壓降，因此在柵極操控溝道反向?qū)ㄖ?，必須將其導通時間最小化到“死區(qū)時間”內(nèi)。

與硅器件相比，氮化鎵器件在導通電阻和傳導損耗方面也有顯著的提升。然而，目前它們僅適用于650 V左右的額定電壓，只能采用平面結(jié)構(gòu)設計，組成HEMT單元。為了獲得更高的工作電壓，人們正在研究垂直溝道結(jié)構(gòu)，但當襯底為硅時（這是保持低成本的必要條件），技術突破會非常困難。在氮化鎵橫向HEMT單元中沒有體二極管。反向傳導確實會在溝道內(nèi)發(fā)生，而反向恢復電荷實際上為零，但壓降高且不穩(wěn)定。壓降取決于柵極閾值和使用的任何負柵極驅(qū)動電壓。

柵極驅(qū)動對于硅MOSFET和氮化鎵HEMT單元都非常關鍵，兩者的閾值都很低。氮化鎵器件需要小驅(qū)動電流實現(xiàn)導通狀態(tài)，所需最高電壓也只有7 V左右。碳化硅需要18 V左右才能達到完全飽和，接近其絕對最大值，約為22 V（請注意，實際值取決于具體的碳化硅器件）。因此，需要對柵極驅(qū)動合理布局，避免寄生效應產(chǎn)生的過電壓應力，例如由于連接電感與柵極和雜散電容共振而產(chǎn)生的振鈴。柵極和源極連接的電感也可能導致高di/dt的雜散和災難性導通（見圖2）。米勒電容對高dV/dt也可能造成類似的影響。在電機控制應用中，為了避免電機繞組應力和過大的電磁干擾，通常會故意降低邊緣速率。從高di/dt通過電機機架接地的共模干擾電流也會導致機械磨損。

可以說，器件對布局和柵極驅(qū)動高度敏感是有問題的，但使用專門的柵極驅(qū)動器，可能讓解決方案的設計變簡單。隨著集成電源模塊的出現(xiàn)，這些困難已經(jīng)得到解決。然而，外部影響難以預測，寬帶隙器件對異常條件的抵御能力也值得考慮，例如電機控制中經(jīng)常出現(xiàn)的負載過電壓和短路。硅MOSFET具有額定雪崩功率，但可靠值仍在通過測試和現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行確定。氮化鎵HEMT單元沒有設定雪崩功率，會在過電壓下瞬間失靈。不過制造商設置的額定值與絕對最大值之間還留有很大的余地。寬帶隙器件的短路能力評估仍在繼續(xù)，要達到故障前幾微秒內(nèi)的合理數(shù)值。我們已經(jīng)注意到，發(fā)生過電流事件時，器件會出現(xiàn)緩慢退化和閾值電壓偏移，這在某些應用中可能是一個問題。

高di/dt的效果

圖2：高di/dt導致瞬態(tài)柵極的峰間電壓，且發(fā)生了共源電感 L。

隨著技術的進步，寬帶隙器件的價格也降到常規(guī)器件的價格區(qū)間。在電機控制應用的功率水平不斷提高的情況下，可以考慮使用寬帶隙器件，它比IGBT和硅MOSFET具有更低的傳導和開關損耗。盡管單位成本與舊技術相比，還有一定差距，但寬帶隙器件的節(jié)能因素很關鍵，此外，散熱片尺寸、重量和成本的降低也能為系統(tǒng)帶來額外的好處。碳化硅MOSFET具有更高的額定電壓，能承受更高的電壓和熱應力，在新的電機驅(qū)動設計中處于領先地位。但對于低電壓、低功率的應用，可以選用氮化鎵器件，它可以實現(xiàn)更低的損耗。