功率半导体是电机逆变器的关键部件

电动机塑造了世界，并在各个层面继续如此。它们的范围从实现简单家庭功能自动化的小型电机到可以移动山脉的重型电机。现在使用的电动机的数量和种类是惊人的，因此了解电动机及其控制系统几乎占全球消耗的全部电力的一半也就不足为奇了。

进一步细分，全球约 30% 的电力用于驱动工业应用中的电机[1]。从绝对数字来看，能源的消耗量在世界工业部门预计，到2040年将翻一番随着增加资源有限的能源和成本，无论是在环境和融资条件，需要在更大的使用效率意识驱动电机的电力变得更加突出。

低压驱动器——要求和要求

在市场的低压部分（标准和紧凑型），应用可分为轻型或重型。从驱动器的角度来看，主要区别在于轻型电机和控制器通常必须在加速期间（例如在泵和风扇应用中）在短时间内维持 110% 的逆变器输出电流的超速驱动（图 1）。重型电机和控制装置通常需要设计成能够承受高达标称逆变器电流 150% 的过载。这种较高的过载电流归因于传送带的加速阶段等。

图 1：过载能力定义了在 110%（轻负载/正常负载）和 150%（重负载）之间的加速操作期间高于额定电流的时间段。

驱动器用IGBT7

电机驱动系统的独特和特定要求需要一种新的 IGBT 设计方法。使用正确的 IGBT 技术，可以创建更适合满足这些需求的模块。这是英飞凌采用其最新一代 IGBT 技术 IGBT7 所采用的方法。在芯片级，IGBT7 使用微图案沟槽 (MPT)，其结构有助于降低正向电压并增加漂移区的导电性。对于具有中等开关频率的应用，例如电机驱动器，IGBT7 比前几代产品显着降低了损耗 。

与上一代 (IGBT4) 相比，IGBT7 提供的另一项改进是续流二极管，该二极管也针对驱动应用进行了优化。此外，发射极控制二极管 EC7 的正向压降现在比 EC4 二极管的正向压降低 100 mV，并具有改进的反向恢复软度。

用于伺服驱动器的 SiC MOSFET

随着跨行业使用更多自动化，对伺服电机的需求相应增加。它们将精确运动控制与高扭矩水平相结合的能力使它们非常适合自动化和机器人技术。

凭借其制造专业知识和长期经验，英飞凌开发了一种 SiC 沟槽技术，该技术提供比 IGBT 更高的性能，但具有相当的稳健性，例如 2 µs 甚至 3 µs 的短路时间。英飞凌的 CoolSiC™ MOSFET 还解决了 SiC 器件固有的一些潜在问题，例如不需要的电容导通。此外，碳化硅 MOSFET 采用符合行业标准的 TO247-3 封装，现在采用 TO247-4 封装，具有更好的开关性能。除了这些 TO 封装外，SiC MOSFET 还提供 Easy 1B 和 Easy 2B 封装。

1200 V CoolSiC™ MOSFET 的开关损耗比相应的 IGBT 替代品低 80%，另外还有损耗与温度无关的优势。然而，与 IGBT7 一样，开关行为 (dv/dt) 也可以通过栅极电阻进行控制，从而提供更大的设计灵活性。

图 2：碳化硅 MOSFET 简化了电机中的逆变器集成

因此，基于较低的恢复、导通、关断和导通状态损耗，使用 CoolSiC™ MOSFET 技术的驱动解决方案可以将损耗降低多达 50%（假设类似的 dv/dt）。CoolSiC™ MOSFET 还具有比 IGBT 更低的传导损耗，尤其是在轻负载条件下。

除了整体更高的效率和更低的损耗外，碳化硅技术实现的更高开关频率在更动态的控制环境中对外部和集成伺服驱动器有直接的好处。这是可能的，因为在不断变化的电机负载条件下电机电流的响应速度更快。

把这一切放在一起

虽然将整流器、斩波器和逆变器集成到单个模块中可在功率密度和开关效率方面带来好处，但电机驱动器还需要闭环系统才能正确高效地运行。

更具体地说，无论使用何种开关技术，都必须配备正确的栅极驱动器解决方案。需要栅极驱动器将用于打开和关闭开关器件的低压控制信号转换为开关本身所需的高压驱动信号。通常，控制信号将来自主机处理器。由于每种开关技术在输入电容和驱动电平方面都有其独特的特性，因此将其与正确的栅极驱动器相匹配至关重要。作为目前使用的所有电源技术的开发商和供应商，英飞凌为其 Si MOSFET、Si IGBT、SiC MOSFET 和 GaN-HEMT 提供优化的栅极驱​​动器。

控制回路的最后但同样重要的部分是传感器，它在电机和控制器之间提供部分反馈。为此目的，通常使用电流传感器。英飞凌开发了一种霍尔效应解决方案，无需铁磁集中器，使其更简单，干扰更少。这使其成为完全集成的伺服电机的理想选择。

XENSIV™ 系列电流传感器（例如 TLI4971）是差分霍尔电流传感器，可提供高磁场范围和低偏移值。此外，它们没有磁滞，并具有良好的杂散场抗扰度。由于采用了无芯概念，它们的紧凑尺寸支持高度集成，而它们的超低功耗和功能隔离使它们非常灵活和可靠。

审核编辑：刘清