工業(yè)驅(qū)動使用SiC MOSFET提高能效

工業(yè)電源應用基于強大的電動機，可以在風扇、泵、伺服驅(qū)動器、壓縮機、縫紉機和冰箱中找到。三相電動機是最常見的電動機類型，它由適當?shù)幕?a href="http://ttokpm.com/tags/逆變器/" target="_blank">逆變器的驅(qū)動器驅(qū)動。它可以吸收一個行業(yè)高達 60% 的整個電力需求，因此對于驅(qū)動器提供高效率水平至關重要。

在工業(yè)電源應用中，電子設計人員可以通過使用基于碳化硅的晶體管 (SiC MOSFET) 獲得巨大的好處，與傳統(tǒng)的基于硅的解決方案（例如IGBT（絕緣柵雙極晶體管））相比，它提供了顯著的效率改進、更小的散熱器尺寸和更低的成本晶體管。SiC 技術允許獲得非常低的單位面積RDS ON、高開關頻率和在體二極管關閉后發(fā)生的反向恢復階段期間的能量損失可以忽略不計。

變頻驅(qū)動

最常見的基于三相逆變器的驅(qū)動電路如圖1所示。 這種在工業(yè)級廣泛使用的拓撲是基于兩電平三相逆變器，主要使用分立或功率模塊IGBT，具體取決于功率要求，加上續(xù)流二極管。六個功率晶體管連接在三個半橋臂中，為電機或其他負載產(chǎn)生三相交流電。每個半橋都被迫在歐姆電感負載（電機）上以特定頻率切換，以便能夠控制其速度、位置和電磁轉矩。IGBT 晶體管是少數(shù)載流子器件，具有高輸入阻抗和大雙極載流能力。在電機控制應用中，由于感性負載特性，通常需要添加反并聯(lián)或續(xù)流二極管以獲得功能齊全的開關，盡管在某些特殊情況下不需要續(xù)流二極管。與功率晶體管并聯(lián)放置的續(xù)流二極管連接在集電極和發(fā)射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產(chǎn)生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續(xù)流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。盡管在某些特殊情況下不需要續(xù)流二極管。與功率晶體管并聯(lián)放置的續(xù)流二極管連接在集電極和發(fā)射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產(chǎn)生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續(xù)流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。盡管在某些特殊情況下不需要續(xù)流二極管。與功率晶體管并聯(lián)放置的續(xù)流二極管連接在集電極和發(fā)射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產(chǎn)生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續(xù)流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。續(xù)流二極管連接在集電極和發(fā)射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產(chǎn)生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續(xù)流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。續(xù)流二極管連接在集電極和發(fā)射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產(chǎn)生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續(xù)流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續(xù)流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續(xù)流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。

圖 1：基于兩級三相逆變器的驅(qū)動器（來源：ST）

下側續(xù)流二極管反向恢復時，其電流方向與上側開關相同，反之亦然；因此，導通換向會出現(xiàn)過沖，產(chǎn)生額外的功率損耗，影響整體效率。由于反向恢復電流和反向時間的值要低得多，碳化硅 MOSFET 可以大幅降低恢復損耗，與與硅基 IGBT 共同封裝的續(xù)流二極管相比，效率顯著提高。

開啟/關閉換向要求

在工業(yè)驅(qū)動中，必須特別注意開啟和關閉換向速度。事實上，SiC MOSFET dV/dt 可以達到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當，高換向 dv/dt 會增加長電機電纜上的電壓尖峰，并可能產(chǎn)生共模和差模寄生電流，隨著時間的推移，會導致繞組絕緣和電機軸承失效。盡管更快的開啟/關閉提高了效率，但出于上述可靠性原因，工業(yè)驅(qū)動器中的典型 dv/dt 通常設置為 5 到 10 V/ns。

ST對兩個相似的1.2kV功率晶體管SiC MOSFET和Si基IGBT進行了比較，結果證明，與SiC MOSFET器件相比，SiC MOSFET器件在開通和關斷時都可以保證更少的能量損失。 Si IGBT，即使在 5 V/ns 的強加條件下。

靜態(tài)和動態(tài)特性

使用相同類型的晶體管，ST 進行的分析還可以比較靜態(tài)和動態(tài)操作中的特性（或電壓-電流）曲線。圖 2 所示的靜態(tài)特性曲線是在結溫 T J = 125°C 下獲得的。從兩條曲線之間的比較來看，碳化硅解決方案提供的顯著優(yōu)勢在整個電壓和電流范圍內(nèi)都體現(xiàn)出來，這主要歸功于其線性正向壓降。相反，IGBT 晶體管表現(xiàn)出非線性電壓降 (V CE(sat) )，其本身取決于集電極電流。

在大約 40A 的電流下達到盈虧平衡點：低于此值，SiC MOSFET 的傳導損耗低于 IGBT。發(fā)生這種情況是因為 SiC MOSFET 利用其線性靜態(tài)特性帶來的靜態(tài)損耗。而且，即使 SiC MOSFET 需要 V GS =18V 才能實現(xiàn)出色的 R DS(ON)，它也可以提供比硅基 IGBT 更好的靜態(tài)性能，從而顯著降低傳導損耗。

圖 2：SiC 和 IGBT MOSFET VI 曲線比較（來源：ST）

還使用雙脈沖測試從動態(tài)角度對這兩種設備進行了分析。該特定測試的目的是在開啟和關閉條件下提供動態(tài)損耗測量。獲得的結果表明，與 Si IGBT 相比，即使在 5 V/ns 條件下，SiC MOSFET 在所分析的整個電流范圍內(nèi)都顯示出顯著較低的開啟和關閉能量（約 -50%）。在 50V/ns 時，碳化硅 MOSFET 可進一步降低損耗。IGBT 無法達到那么高的換向速度。

電熱模擬

為了在典型的工業(yè)驅(qū)動應用中比較 SiC MOSFET 和 Si IGBT，電熱模擬是更好的選擇。關于 ST 分析，該模擬是使用他們的專有軟件工具 PowerStudio 進行的。該軟件提供全面的功率和熱分析，能夠預測器件性能、縮短解決方案設計并節(jié)省時間和資源。此外，該工具有助于選擇適合應用程序任務配置文件的適當設備。ST PowerStudio 基于非常精確的內(nèi)置電氣和熱模型，適用于每個設備，并且由于迭代計算，考慮到自熱效應，它提供了對功率損耗以及結點和外殼溫度的高度準確的估計. 使用 PowerStudio 進行的 ST 電熱仿真證明，使用 SiC MOSFET 可以實現(xiàn)更高的能源效率，從而降低任何散熱器的熱要求，并有利于減輕重量、空間和成本。與 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 解決方案在靜態(tài)和動態(tài)條件下以及開關和二極管方面的總功率損耗要低得多。

　　審核編輯：湯梓紅