SiC MOSFET用於電機驅動的優勢在哪裡

作者：英飛凌工業半導體　趙佳

在我們的傳統印象中，電機驅動系統往往採用IGBT作為開關器件，而SiC MOSFET作為高速器件往往與光伏和電動汽車充電等需要高頻變換的應用相關聯。 但在特定的電機應用中，SiC仍然具有不可比擬的優勢，他們是：

1 低電感電機

低電感電機有許多不同應用，包括大氣隙電機、無槽電機和低泄露感應電機。 它們也可被用在使用PCB定子而非繞組定子的新電機類型中。 這些電機需要高開關頻率（50-100kHz）來維持所需的紋波電流。 然而，對於50kHz以上的調製頻率使用絕緣柵雙極電晶體（IGBT）無法滿足這些需求，如果是380V系統，矽MOSFET耐壓又不夠，這就為寬禁帶器件開創了新的機會。

2 高速電機

由於擁有高基波頻率，這些電機也需要高開關頻率。 它們適用於高功率密度電動汽車、高極數電機、擁有高扭矩密度的高速電機以及兆瓦級高速電機等應用。 同樣，IGBT能夠達到的最高開關頻率受到限制，而通過使用寬禁帶開關器件可能能夠突破這些限制。 例如燃料電池中的空壓機。 空壓機最高轉速超過15萬rpm，空壓機電機控制器的輸出頻率超過2500Hz，功率器件需要很高的開關頻率（超過50kHz），因此SiC-MOSFET是這類應用的首選器件。

3 惡劣工況

在電機控制逆變器中使用寬禁帶器件有兩個引人關注的益處。 第一，它們產生的熱量比矽器件少，降低了散熱需求。 第二，它們能承受更高工作溫度——SiC：600°C，GaN：300°C，而矽晶片能承受的最高工作溫度僅為200°C。 雖然SiC產品目前存在一些與封裝有關的問題，導致它們所適用的工作溫度不能超過200°C，但專注於解決這些問題的研究正在進行中。 因此，寬禁帶器件更適合可能面臨惡劣工況的電機應用，比如混合動力電動汽車（HEV）中的集成電機驅動器、海底和井下應用、空間應用等。


首先，從開關特性角度看，功率器件開關損耗分為開通損耗和關斷損耗。

➤ 關斷損耗

IGBT是雙極性器件，導通時電子和空穴共同參與導電，但關斷時由於空穴，只能通過複合逐漸消失，從而產生拖尾電流，拖尾電流是造成IGBT關斷損耗的大的主要原因。 SiC MOSFET是單極性器件，只有電子參與導電，關斷時沒有拖尾電流使得SiC MOSFET關斷損耗大大低於IGBT。


➤ 開通損耗

IGBT開通瞬間電流往往會有過沖，這是反並聯二極體換流時產生的反向恢復電流。 反向恢復電流疊加在IGBT開通電流上，增加了器件的開通損耗。 IGBT的反並聯二極體往往是Si PiN二極體，反向恢復電流比較明顯。 而SiC MOSFET的結構里天然集成了一個體二極體，無需額外並聯二極體。 SiC體二極體參與換流，它的反向恢復電流要遠低於IGBT反並聯的矽PiN二極體，因此，即使在同樣的dv/dt條件下，SiC MOSFET的開通損耗也低於IGBT。 另外，SiC MOSFET可以使得伺服驅動器與電機集成在一起，從而摒除線纜上dv/dt的限制，高dV/dt條件下，SiC的開關損耗會進一步降低，遠低於IGBT。 即使是開關過程較慢時，碳化矽的開關損耗也優於IGBT。



此外，SiC MOSFET的開關損耗基本不受溫度影響，而IGBT的開關損耗隨溫度上升而明顯增加。 因此高溫下SiC MOSFET的損耗更具優勢。

再考慮dv/dt的限制，相同dv/dt條件下，高溫下SiC MOSFET總開關損耗會有50%~60%的降低，如果不限制dv/dt，SiC開關總損耗最高降低90%。

從導通特性角度看：

SiC MOSFET導通時沒有拐點，很小的VDS電壓就能讓SiC MOSFET導通，因此在小電流條件下，SiC MOSFET的導通電壓遠小於IGBT。 大電流時IGBT導通損耗更低，這是由於隨著器件壓降上升，雙極性器件IGBT開始導通，由於電導調製效應，電子注入激發更多的空穴，電流迅速上升，輸出特性的斜率更陡。 對應電機工況，在輕載條件下，SiC MOSFET具有更低的導通損耗。 重載或加速條件下，SiC MOSFET導通損耗的優勢會有所降低。

➤測試條件

Vdc=600V, VN,out=400V, IN,out=5A–25A, 

fN,sin-out=50Hz, fsw=4-16kHz, Tamb=25°C,

cos(φ)N=0.9, Rth,HA=0.63K/W, dv/dt=5V/ns

M=1，Vdc=600V， fsin=50Hz， RG@dv/dt=5V/ns， fsw=8kHz，線纜長度5m， Tamb=25°C

可以看出，基於以上工況，同樣的溫度條件下，30mohm的器件輸出電流比40A IGBT提高了10A，哪怕換成小一檔的60mohm SiC MOSFET，輸出電流也能提升約5A。 而相同電流條件下，SiC MOSFT的溫度明顯降低。

綜上所述，SiC開關器件能為電機驅動系統帶來的益處總結如下：

• 更低損耗\u2012降低耗電量，讓人們的生活更加環保、可持續。

• 性能卓越\u2012實現更高功率密度，通過以更小的器件達到相同性能，來實現更經濟的電機設計。

• 結構緊湊\u2012實現更緊湊、更省空間的電機設計，減少材料消耗，降低散熱需求。

• 更高質量\u2012SiC逆變器擁有更長使用壽命，且不易出故障，使得製造商能夠提供更長的保修期。

 

最後，英飛凌CoolSiC™能保證單管3us，Easy模塊2us的短路能力，進一步保證系統的安全性與可靠性。


參考閱讀

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