MOSFET與IGBT：電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的未來(lái)

什么是硅IGBT和碳化硅MOSFET?

Si IGBT是硅絕緣柵雙極晶體管的簡(jiǎn)寫。碳化硅MOSFET是碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的縮寫。

Si IGBT是電流控制器件，通過(guò)施加到晶體管柵極端子的電流切換，而MOSFET則由施加到柵極端子的電壓進(jìn)行電壓控制。

Si IGBT和SiC MOSFET之間的主要區(qū)別在于它們可以處理的電流類型。一般來(lái)說(shuō)，MOSFET更適合高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用，而IGBT更適合高功率應(yīng)用。

為什么硅IGBT和碳化硅MOSFET在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中至關(guān)重要

電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代技術(shù)中無(wú)處不在，通常依靠電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源。例如，電動(dòng)汽車?yán)么笮碗姵仃嚵邢到y(tǒng)為車輛提供直流電源，從而通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生物理運(yùn)動(dòng)。對(duì)這些交流電機(jī)的絕對(duì)控制對(duì)于車輛的性能和效率以及車內(nèi)人員的安全至關(guān)重要。然而，這種動(dòng)力總成系統(tǒng)依靠逆變器將來(lái)自電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)，電機(jī)可以使用該信號(hào)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

這些逆變器精確控制電機(jī)的速度、扭矩、功率和效率，并實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能力。最終，逆變器對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)的價(jià)值與電機(jī)一樣重要。與電源應(yīng)用中的所有設(shè)備一樣，逆變器的功能和設(shè)計(jì)要求可能有很大差異，并且對(duì)于直流電源到交流電機(jī)系統(tǒng)的整體系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

現(xiàn)代直流到交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中使用兩種類型的逆變器：硅IGBT和碳化硅MOSFET。從歷史上看，Si IGBT是最常見(jiàn)的，但SiC MOSFET因其各種性能優(yōu)勢(shì)和不斷降低成本而倍增。當(dāng)SiC MOSFET首次進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，對(duì)于大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它們的成本普遍過(guò)高。然而，隨著這種卓越技術(shù)的采用增加，規(guī)模化制造大大降低了SiC MOSFET的成本。

MOSFET與IGBT：電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的未來(lái)

機(jī)電設(shè)備——開(kāi)關(guān)、螺線管、編碼器、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)——是從數(shù)字世界到物理世界的基本橋梁。所有這些設(shè)備的魔力在于它們能夠?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)作。

隨著自動(dòng)化制造、電動(dòng)汽車、先進(jìn)建筑系統(tǒng)和智能家電等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)這些機(jī)電設(shè)備提高控制、效率和功能的需求也在增長(zhǎng)。本文探討了碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)的突破如何重新定義歷史上使用硅IGBT(Si IGBT)進(jìn)行功率反轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)的功能。這項(xiàng)創(chuàng)新擴(kuò)展了幾乎每個(gè)行業(yè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用功能。

什么是硅IGBT和碳化硅MOSFET?

Si IGBT是硅絕緣柵雙極晶體管的簡(jiǎn)寫。碳化硅MOSFET是碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的縮寫。

Si IGBT是電流控制器件，通過(guò)施加到晶體管柵極端子的電流切換，而MOSFET則由施加到柵極端子的電壓進(jìn)行電壓控制。

Si IGBT和SiC MOSFET之間的主要區(qū)別在于它們可以處理的電流類型。一般來(lái)說(shuō)，MOSFET更適合高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用，而IGBT更適合高功率應(yīng)用。

為什么硅IGBT和碳化硅MOSFET在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中至關(guān)重要?

電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代技術(shù)中無(wú)處不在，通常依靠電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源。例如，電動(dòng)汽車?yán)么笮碗姵仃嚵邢到y(tǒng)為車輛提供直流電源，從而通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生物理運(yùn)動(dòng)。對(duì)這些交流電機(jī)的絕對(duì)控制對(duì)于車輛的性能和效率以及車內(nèi)人員的安全至關(guān)重要。然而，這種動(dòng)力總成系統(tǒng)依靠逆變器將來(lái)自電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)，電機(jī)可以使用該信號(hào)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

這些逆變器精確控制電機(jī)的速度、扭矩、功率和效率，并實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能力。最終，逆變器對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)的價(jià)值與電機(jī)一樣重要。與電源應(yīng)用中的所有設(shè)備一樣，逆變器的功能和設(shè)計(jì)要求可能有很大差異，并且對(duì)于直流電源到交流電機(jī)系統(tǒng)的整體系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

現(xiàn)代直流到交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中使用兩種類型的逆變器：硅IGBT和碳化硅MOSFET。從歷史上看，Si IGBT是最常見(jiàn)的，但SiC MOSFET因其各種性能優(yōu)勢(shì)和不斷降低成本而倍增。當(dāng)SiC MOSFET首次進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，對(duì)于大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它們的成本普遍過(guò)高。然而，隨著這種卓越技術(shù)的采用增加，規(guī)?；圃齑蟠蠼档土薙iC MOSFET的成本。

硅IGBT與碳化硅MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)

Si IGBT因其高電流處理能力、快速開(kāi)關(guān)速度和低成本而歷來(lái)用于直流至交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。最重要的是，Si IGBT具有高額定電壓、低壓降、電導(dǎo)損耗和熱阻，使其成為制造系統(tǒng)等大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的不二之選。然而，Si IGBT的一個(gè)相當(dāng)大的缺點(diǎn)是它們極易受到熱失控的影響。當(dāng)設(shè)備溫度不受控制地上升時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱失控，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障并最終發(fā)生故障。在高電流、電壓和工作條件常見(jiàn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，例如電動(dòng)汽車或制造業(yè)，熱失控可能是一個(gè)重大的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

作為這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的解決方案，SiC MOSFET更能抵抗熱失控。碳化硅的導(dǎo)熱性更高，可實(shí)現(xiàn)更好的器件級(jí)散熱和穩(wěn)定的工作溫度。碳化硅MOSFET更適合較溫暖的環(huán)境條件空間，如汽車和工業(yè)應(yīng)用。此外，鑒于其導(dǎo)熱性，SiC MOSFET可以消除對(duì)額外冷卻系統(tǒng)的需求，從而可能減小整體系統(tǒng)尺寸并潛在地降低系統(tǒng)成本。

由于SiC MOSFET的工作開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于Si IGBT，因此非常適合需要精確電機(jī)控制的應(yīng)用。高開(kāi)關(guān)頻率在自動(dòng)化制造中至關(guān)重要，其中高精度伺服電機(jī)用于工具臂控制、精密焊接和精確物體放置。

此外，與Si IGBT電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)相比，SiC MOSFET的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是它們能夠嵌入電機(jī)組件中，電機(jī)控制器和逆變器嵌入與電機(jī)相同的外殼中。

通過(guò)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組件移動(dòng)到電機(jī)的本地位置，可以大大減少驅(qū)動(dòng)逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的布線，從而節(jié)省大量成本。在圖B的示例中，傳統(tǒng)的Si IGBT電源柜可能需要21根獨(dú)特的電纜來(lái)為機(jī)械臂的七個(gè)電機(jī)(標(biāo)記為“M”)供電，這可能相當(dāng)于數(shù)百米昂貴而復(fù)雜的布線基礎(chǔ)設(shè)施。使用SiC MOSFET電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電纜數(shù)量可以減少到兩根長(zhǎng)電纜，連接到本地電機(jī)組件內(nèi)每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

碳化硅MOSFET與硅IGBT的缺點(diǎn)!

然而，與硅IGBT相比，SiC MOSFET也有缺點(diǎn)。首先，SiC MOSFET仍然比Si IGBT更昂貴，因此可能不太適合成本敏感型應(yīng)用。雖然SiC MOSFET本身更昂貴，但與Si IGBT系統(tǒng)相比，某些應(yīng)用可能會(huì)降低整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的價(jià)格(通過(guò)減少布線、無(wú)源元件、熱管理等)，并且總體上可能更便宜。這種成本節(jié)約可能需要在兩個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)和成本研究分析，但可以提高效率并節(jié)省成本。

SiC MOSFET的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它們可能具有更復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)要求，這可能使其在系統(tǒng)中其他組件可能限制柵極驅(qū)動(dòng)資源的應(yīng)用中不如IGBT理想。

使用碳化硅MOSFET改進(jìn)的逆變器技術(shù)

碳化硅MOSFET極大地改進(jìn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的逆變器技術(shù)。與所有類型的元件一樣，在某些特定應(yīng)用中，IGBT可能仍然更適合。然而，與Si IGBT相比，SiC MOSFET逆變器具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，使其成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用和各種其他應(yīng)用非常有吸引力的解決方案。

先進(jìn)光半導(dǎo)體由南方先進(jìn)聯(lián)合日本歸國(guó)華僑楊振林博士團(tuán)隊(duì)合資成立，以南方先進(jìn)為主要投資方、楊博士團(tuán)隊(duì)為技術(shù)核心的一家專業(yè)從事光電器件、光耦合器、光耦繼電器等光電集成電路以及光電驅(qū)動(dòng)等產(chǎn)品，研發(fā)團(tuán)隊(duì)涵蓋設(shè)計(jì)、制造、銷售和服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，先進(jìn)光半導(dǎo)體擁有先進(jìn)的光電器件全自動(dòng)生產(chǎn)線，具有年產(chǎn)8000萬(wàn)只光電光耦器件的生產(chǎn)能力?，F(xiàn)階段先進(jìn)光半導(dǎo)體的光耦繼電器、光耦合器等主要產(chǎn)品用于：蓄電系統(tǒng).智能電表.自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備.電信設(shè)備.測(cè)量?jī)x器.醫(yī)療設(shè)備.通信設(shè)備.PC端.安防監(jiān)控.O/A設(shè)備.PLC控制器.I/O控制板等，依托于光半導(dǎo)體綜合的設(shè)計(jì)技術(shù)和芯片制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)，先進(jìn)光半導(dǎo)體期望在有廣闊發(fā)展前景的光電控制領(lǐng)域深耕，逐步提升產(chǎn)品的技術(shù)附加值，擴(kuò)充技術(shù)含量更高的產(chǎn)品線。