使用 SiC MOSFET 提高工業(yè)驅動能效

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谀孀兤鞯尿寗悠黩寗?。它可以吸收一個行業(yè)高達 60% 的全部電力需求，因此對于驅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，碳化硅晶體管 (SiC MOSFET) 提供了顯著的效率提升、更小的散熱器尺寸和更低的成本晶體管。SiC 技術允許在體二極管關斷后發(fā)生的反向恢復階段獲得非常低的每單位面積RDS ON 、高開關頻率和可忽略的能量損失。

基于逆變器的驅動器

最常見的基于三相逆變器，這種在工業(yè)級廣泛使用的拓撲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。每個半橋都被迫以特定頻率在歐姆電感負載(電機)上切換，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，通常需要添加一個反并聯(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續(xù)流二極管不是必需的。與功率晶體管并聯(lián)放置的續(xù)流二極管連接在集電極端子和發(fā)射極端子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，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。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端子和發(fā)射極端子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，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。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端子和發(fā)射極端子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，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。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，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。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，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。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，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。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，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。

下側續(xù)流二極管反向恢復時，其電流流向與上側開關相同，反之亦然;因此，在開啟換向時會出現(xiàn)過沖，從而產(chǎn)生額外的功率損耗，從而影響整體效率。SiC MOSFET 由于反向恢復電流和反向時間值要低得多，因此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出現(xiàn)故障。盡管更快的開啟/關閉提高了效率，但出于前面提到的可靠性原因，工業(yè)驅動器中的典型 dv/dt 通常設置為 5 到 10 V/ns。

意法半導體對兩個相似的 1.2kV 功率晶體管 SiC MOSFET 和 Si 基 IGBT 進行的比較證明，與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 時獲得的。從兩條曲線之間的比較來看，SiC 解決方案提供的顯著優(yōu)勢出現(xiàn)在整個電壓和電流范圍內，這首先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。

在電流約為 40A 時達到收支平衡點：低于此值，SiC MOSFET 的傳導損耗低于 IGBT。這是因為 SiC MOSFET 由于其線性靜態(tài)特性而利用了靜態(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。

還使用雙脈沖測試從動態(tài)角度分析了這兩個設備。此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 在整個分析電流范圍內的開啟和關閉能量(約 -50%)也顯著降低。在 50V/ns 時，SiC MOSFET 可進一步降低損耗。IGBT 無法達到如此高的換向速度。

電熱模擬

為了比較 SiC MOSFET 和 Si IGBT 在典型工業(yè)驅動應用中的運行情況，電熱仿真是更好的選擇。關于 ST 分析，該模擬是使用他們專有的軟件工具 PowerStudio 進行的。該軟件提供全面的功率和熱分析，能夠預測設備性能，縮短解決方案設計時間并節(jié)省時間和資源。此外，該工具有助于選擇適合應用任務配置文件的適當設備。ST PowerStudio 基于非常精確的內置電氣和熱模型，適用于每個設備，并且由于考慮到自熱效應的迭代計算，它提供了對功率損耗以及結和外殼溫度的高度準確估計. 使用 PowerStudio 進行的 ST 電熱仿真證明，使用 SiC MOSFET 可以實現(xiàn)更高的能效，從而降低任何散熱器的熱要求，從而降低重量、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。