MOSFET與IGBT：電機驅(qū)動控制的未來

什么是硅IGBT和碳化硅MOSFET?

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

Si IGBT是電流控制器件，通過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。一般來說，MOSFET更適合高頻開關(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在電機驅(qū)動應(yīng)用中至關(guān)重要

電動機在現(xiàn)代技術(shù)中無處不在，通常依靠電池系統(tǒng)作為動力源。例如，電動汽車?yán)么笮碗姵仃嚵邢到y(tǒng)為車輛提供直流電源，從而通過交流電動機產(chǎn)生物理運動。對這些交流電機的絕對控制對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，這種動力總成系統(tǒng)依靠逆變器將來自電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流信號，電機可以使用該信號產(chǎn)生運動。

這些逆變器精確控制電機的速度、扭矩、功率和效率，并實現(xiàn)再生制動能力。最終，逆變器對動力總成系統(tǒng)的價值與電機一樣重要。與電源應(yīng)用中的所有設(shè)備一樣，逆變器的功能和設(shè)計要求可能有很大差異，并且對于直流電源到交流電機系統(tǒng)的整體系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

現(xiàn)代直流到交流電機驅(qū)動應(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是最常見的，但SiC MOSFET因其各種性能優(yōu)勢和不斷降低成本而倍增。當(dāng)SiC MOSFET首次進入市場時，對于大多數(shù)電機驅(qū)動應(yīng)用來說，它們的成本普遍過高。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。

MOSFET與IGBT：電機驅(qū)動控制的未來

機電設(shè)備——開關(guān)、螺線管、編碼器、發(fā)電機和電動機——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娦盘栟D(zhuǎn)換為機械動作。

隨著自動化制造、電動汽車、先進建筑系統(tǒng)和智能家電等行業(yè)的發(fā)展，對這些機電設(shè)備提高控制、效率和功能的需求也在增長。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)進行功率反轉(zhuǎn)的電動機的功能。這項創(chuàng)新擴展了幾乎每個行業(yè)的電機驅(qū)動應(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寫。碳化硅MOSFET是碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的縮寫。

Si IGBT是電流控制器件，通過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。一般來說，MOSFET更適合高頻開關(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在電機驅(qū)動應(yīng)用中至關(guān)重要?

電動機在現(xiàn)代技術(shù)中無處不在，通常依靠電池系統(tǒng)作為動力源。例如，電動汽車?yán)么笮碗姵仃嚵邢到y(tǒng)為車輛提供直流電源，從而通過交流電動機產(chǎn)生物理運動。對這些交流電機的絕對控制對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，這種動力總成系統(tǒng)依靠逆變器將來自電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流信號，電機可以使用該信號產(chǎn)生運動。

這些逆變器精確控制電機的速度、扭矩、功率和效率，并實現(xiàn)再生制動能力。最終，逆變器對動力總成系統(tǒng)的價值與電機一樣重要。與電源應(yīng)用中的所有設(shè)備一樣，逆變器的功能和設(shè)計要求可能有很大差異，并且對于直流電源到交流電機系統(tǒng)的整體系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

現(xiàn)代直流到交流電機驅(qū)動應(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是最常見的，但SiC MOSFET因其各種性能優(yōu)勢和不斷降低成本而倍增。當(dāng)SiC MOSFET首次進入市場時，對于大多數(shù)電機驅(qū)動應(yīng)用來說，它們的成本普遍過高。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

Si IGBT因其高電流處理能力、快速開關(guān)速度和低成本而歷來用于直流至交流電機驅(qū)動應(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)等大功率電機驅(qū)動應(yīng)用的不二之選。然而，Si IGBT的一個相當(dāng)大的缺點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，就會發(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的電機驅(qū)動應(yīng)用中，例如電動汽車或制造業(yè)，熱失控可能是一個重大的設(shè)計風(fēng)險。

作為這一設(shè)計挑戰(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，可實現(xiàn)更好的器件級散熱和穩(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的工作開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于Si IGBT，因此非常適合需要精確電機控制的應(yīng)用。高開關(guān)頻率在自動化制造中至關(guān)重要，其中高精度伺服電機用于工具臂控制、精密焊接和精確物體放置。

此外，與Si IGBT電機驅(qū)動器系統(tǒng)相比，SiC MOSFET的一個顯著優(yōu)勢是它們能夠嵌入電機組件中，電機控制器和逆變器嵌入與電機相同的外殼中。

通過將電機驅(qū)動器組件移動到電機的本地位置，可以大大減少驅(qū)動逆變器和電機驅(qū)動器之間的布線，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根獨特的電纜來為機械臂的七個電機(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電機驅(qū)動系統(tǒng)，電纜數(shù)量可以減少到兩根長電纜，連接到本地電機組件內(nèi)每個電機驅(qū)動器

碳化硅MOSFET與硅IGBT的缺點!

然而，與硅IGBT相比，SiC MOSFET也有缺點。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)用可能會降低整個電機驅(qū)動器系統(tǒng)的價格(通過減少布線、無源元件、熱管理等)，并且總體上可能更便宜。這種成本節(jié)約可能需要在兩個應(yīng)用系統(tǒng)之間進行復(fù)雜的設(shè)計和成本研究分析，但可以提高效率并節(jié)省成本。

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

使用碳化硅MOSFET改進的逆變器技術(shù)

碳化硅MOSFET極大地改進了電機驅(qū)動系統(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逆變器具有幾個明顯的優(yōu)勢，使其成為電機驅(qū)動應(yīng)用和各種其他應(yīng)用非常有吸引力的解決方案。

先進光半導(dǎo)體由南方先進聯(lián)合日本歸國華僑楊振林博士團隊合資成立，以南方先進為主要投資方、楊博士團隊為技術(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)動等產(chǎn)品，研發(fā)團隊涵蓋設(shè)計、制造、銷售和服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，先進光半導(dǎo)體擁有先進的光電器件全自動生產(chǎn)線，具有年產(chǎn)8000萬只光電光耦器件的生產(chǎn)能力。現(xiàn)階段先進光半導(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.自動檢測設(shè)備.電信設(shè)備.測量儀器.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)計技術(shù)和芯片制造技術(shù)優(yōu)勢，先進光半導(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，擴充技術(shù)含量更高的產(chǎn)品線。