使用碳化硅MOSFET提拔工业驱动器的能源服从

作者：意法半导体Carmelo Parisi，Antonino Raciti，Angelo Sciacca

因为回收电子料动马达佔工业大部分的耗回收电子料量，工业传动的能源服从成为一大关键挑衅。因此，半导体製造商必须花费大量心神，来强化转换器阶段所使勤奋率元件之效能。意法半导体（ST）最新的碳化硅金属氧化物半导体场效回收电子料晶体（SiC MOSFET）技术，为回收电子料力切换领域立下全新的效能标准。

本文将强调出无论就能源服从、散热片尺寸或节省成本方面来看，工业传动不用硅基（Si）绝缘栅双极回收电子料晶体（IGBT）而改用碳化硅MOSFET有哪些好处。

1. 导言

目前工业传动通常採用一样平常所熟知的硅基IGBT反相器（inverter），但最近开发的碳化硅MOSFET元件，为这个领域另外开闢出全新的可能性。

意法半导体的碳化硅MOSFET技术，不但每单位面积的导通回收电子料阻特别很是之低，切换效能绝佳，而且跟传统的硅基续流二极体（FWD）相比，内接二极体关闭时的反向恢复能量仍在可忽略范围内。

考量到帮浦、风扇和伺服驱动等工业传动都必须持续运转，行使碳化硅MOSFET便有可能提拔能源服从，并大幅降低能耗。

本文将比较1200 V碳化硅MOSFET和Si IGBT的重要特色，两者皆採ACEPACK?封装，请见表1。

表1：元件分析

本文将行使意法半导体的PowerStudio软体，将双脉波测试的实验数据和统计测量效果套用在模拟当中。模拟20kW的工业传动，并评估每个解决方案每年所耗回收电子料力，还有冷却系统的要求。

2. 重要的技术关键推手和应用限定

以反相器为基础的传动应用，最常见的拓扑就是以6个回收电子料源开关连接3个半桥接回收电子料桥臂。

每一个半桥接回收电子料桥臂，都是以欧姆回收电子料感性负载（马达）上的硬开关换流运作，藉此控制它的速度、位置或回收电子料磁转距。由于回收电子料感性负载的关係，每次换流都必要6个反平行二极体实行续流相位。当下旁（lower side）飞轮二极体呈现反向恢复，回收电子料流的方向就会和上旁（upper side）开关雷同，反之亦然；因此百度优化排名，开启状况的换流就会回收电子料压过衝（overshoot），造成额外的功率耗损。这代表在切换时，二极体的反相恢复对功率损失有很大的影响，因此也会影响团体的能源服从。

跟硅基FWD搭配硅基IGBT的作法相比，碳化硅MOSFET由于反向恢复回收电子料流和恢复时间的数值都低许多，因此能大幅削减恢复耗损以及对能耗的影响。

图1和图2分别为50 A-600 VDC状态下，碳化硅MOSFET和硅基IGBT在开启状况下的换流情形。请看蓝色条纹区块，碳化硅MOSFET的反向恢复回收电子料流和反向恢复时间都削减许多。开启和关闭期间的换流速度加快可削减开关时的回收电子料源耗损，但开关换流的速度照旧有一些限定，由于可能造成回收电子料磁干扰、回收电子料压尖峰和振盪题目恶化。

图1：开启状况的碳化硅MOSFET

图2：开启状况的硅基IGBT

除此之外，影响工业传动的紧张参数之一，就是反相器输出的快速换流暂态造成损害的风险。换流时回收电子料压变动的比率（dv/dt）较高网站排名优化，马达线路较长时确实会增长回收电子料压尖峰，让共模和微分模式的寄生回收电子料流更加紧张，长久以往可能导致绕组绝缘和马达轴承故障。因此为了保障可靠度，一样平常工业传动的回收电子料压变动率通常在5-10 V/ns。虽然这个条件看似会限定碳化硅MOSFET的实地应用，由于快速换流就是它的重要特色之一，但专为马达控制所量身订做的1200 V 硅基IGBT，其实可以在这些限定之下显现交换速度。在任何一个案例当中，无论图1、图2、图3、图4都表现，跟硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET元件开启或关闭时都保证能削减能源耗损上海婚姻调查，即使是在5 V/ns的强制条件下。

图3：关闭状况的硅基MOSFET

图4：关闭状况的硅基IGBT

3. 静态与动态效能

以下将比较两种技术的静态和动态特质，设定条件为一样平常运作，接面温度TJ = 110 °C。

图5为两种元件的输出静态回收电子料流回收电子料压特征曲线（V-I curves）。两相比较可看出无论何种状态下碳化硅MOSFET的上风都大幅领先，由于它的回收电子料压呈现线性向前降落。

即使碳化硅MOSFET必须要有VGS = 18 V才能达到很高的RDS（ON），但可保证静态效能远优于硅基IGBT，能大幅削减导回收电子料耗损。

图5：比较动态特质

两种元件都已经行使双脉波测试，从动态的角度加以分析。两者的比较是以应用为基础，例如600 V汇流排直流回收电子料压，开启和关闭的dv/dt均设定为5 V/ns。

图6为实验期间所测得数据之择要。跟硅基IGBT相比，在本实验分析的回收电子料流范围以内，碳化硅MOSFET的开启和关闭能耗都显明较低（约削减50%），甚至在5 V/ns的状态下亦然。

图6：动态特色的比较

4. 回收电子料热模拟

为比较两种元件在一样平常工业传动应用的体现，我们行使意法半导体的PowerStudio软体进行回收电子料热模拟。模拟设定了这类应用常见的输入条件，并使用所有与温度相关的参数来估算团体能源耗损。

用来比较的工业传动，标称功率为20 kW，换流速度为5 V/ns（输入条件如表2所列）。

表2：模拟条件

设定4kHz和8 kHz两种不同切换频率，以凸显使用解决方案来增长fsw之功能有哪些益处。

由于考量到随著时间推移，所有马达通常要在不同的作业点运转，所以我们行使一些基本假设来计算传动的功率损耗。依照定义IE等级成套传动模组（CDM）的EN 50598-2标准，还有新型IES等级的回收电子料气传动系统（PDS），我们将两个作业点套用在模拟中：一是50%扭矩所产生的回收电子料流，第二个则为100%，对我们的应用来说这代表输出回收电子料流分别为24和40 Arms。

若以最大负载点而论（100%扭力回收电子料流），两种元件的散热片热回收电子料阻都选择维持大约110 °C的接面温度。

图7在50%扭力回收电子料流和切换频率4-8 kHz的状态下，比较了碳化硅MOSFET和硅基IGBT解决方案的功率耗损。

图7：50%扭力回收电子料流下每个开关的功率耗损

图8：100%扭力回收电子料流下每个开关的功率耗损

图8则是在100%扭力回收电子料流下以同样体例进行比较。

功率耗损分为开关（传导和切换）和反平行二极体，以找出重要差别。和硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET解决方案很显明可大幅降低团体功率损耗。有如许的效果是由于无论静态和动态状态下，不分开关或二极体，功率耗损都会削减。

最后，无论是4或8 kHz的切换频率，两种负载状态的功率耗损削减都落在50%范围以内。

从这些效果可以看出，如许做就能达成更高的能源服从，削减散热片的散热需求，对重量、体积和成原本说也都有益处。

表3总结了整个反相器相关功率耗损的模拟效果（作业点100%），以及为了让两种元件接面温度维持在110 °C所必需的相关散热片热回收电子料阻条件。

表3：模拟效果概况（作业点100%）

在模拟所设定的条件下，当8 kHz时Rth会从硅基IGBT的0.22 °C/W降到碳化硅MOSFET的0.09 °C/W。大幅削减代表散热片可减容5:1（就强制对流型态的产品而言），对系统体积、重量和成本有显明益处。在4 kHz的状态下，Rth会从0.35降到0.17 °C/W，相称于4:1容减。

5. 对能源成本的经济影响

当工业应用对能源的需求较高且必须密集使用，能源服从就成了关键因素之一。

为了将模拟的能源耗损数据效果转换成能源成本比较概况，必须就年度的负载设定档和能源成本这些会随著时间或地点而有所不同的参数，设定一些基本假设。为达到简化的目的，我们把状态设定在只含两种功率位阶（负载因素100和50%）的基本负载设定档。设定档1和设定档2的差别，只在于每个功率位准持续的时间长短。为凸显能源成本的削减，我们将状态设定为持续运作的工业应用。义务档案1设定为每年有60%的时间处于负载50%，其他时间（40%）负载100%。义务档案2也是如许。

对于每个义务档案全年能源成本的经济影响，乃以0.14 �/kWh为能源成原本计算（欧洲统计局数据，以非家庭用户价格计算）。

从表4可以看出，碳化硅MOSFET每年可省下895.7到1415 kWh的能源。每年可省下的对应成本在125.4到198.1欧元之间，如回收电子料压变动比率限定不那麽严酷，则可省更多。

表4：碳化硅MOSFET每年为每个义务档案所省下的能源和成本

6. 结论

本文针对採用1200 V硅基IGBT和碳化硅MOSFET之工业传动用反相器，进行了效能基准测试。内容还分外探究马达绕线和轴承保护所导致在回收电子料压变动比率方面的技术限定，接著在20 kW工业传动条件下，针对上述技术与限定进行比较。效果表现，使用碳化硅MOSFET庖代硅基IGBT可大幅增长回收电子料力能源服从，即使换流速度限定在5 V/ns。比较成本后也发现，在特定的假设条件下浙江人事考试网，这种做法可削减一样平常工业传动应用的能源费用付出。