SiC MOSFET用于电机驱动的优势在哪里-电子发烧友网

低电感电机

低电感电机有许多不同应用，包括大气隙电机、无槽电机和低泄露感应电机。它们也可被用在使用PCB定子而非绕组定子的新电机类型中。这些电机需要高开关频率（50-100kHz）来维持所需的纹波电流。然而，对于50kHz以上的调制频率使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）无法满足这些需求，如果是380V系统，硅MOSFET耐压又不够，这就为宽禁带器件开创了新的机会。

高速电机

由于拥有高基波频率，这些电机也需要高开关频率。它们适用于高功率密度电动汽车、高极数电机、拥有高扭矩密度的高速电机以及兆瓦级高速电机等应用。同样，IGBT能够达到的最高开关频率受到限制，而通过使用宽禁带开关器件可能能够突破这些限制。例如燃料电池中的空压机。空压机最高转速超过15万rpm，空压机电机控制器的输出频率超过2500Hz，功率器件需要很高的开关频率（超过50kHz），因此SiC-MOSFET是这类应用的首选器件。

恶劣工况

在电机控制逆变器中使用宽禁带器件有两个引人关注的益处。第一，它们产生的热量比硅器件少，降低了散热需求。第二，它们能承受更高工作温度——SiC：600°C，GaN：300°C，而硅芯片能承受的最高工作温度仅为200°C。虽然SiC产品目前存在一些与封装有关的问题，导致它们所适用的工作温度不能超过200°C，但专注于解决这些问题的研究正在进行中。因此，宽禁带器件更适合可能面临恶劣工况的电机应用，比如混合动力电动汽车（HEV）中的集成电机驱动器、海底和井下应用、空间应用等

传统的电机驱动中，往往使用IGBT作为开关器件。那么，SiC MOSFET相对于Si IGBT有哪些优势，使得它更适合电机驱动应用？

首先，从开关特性角度看，功率器件开关损耗分为开通损耗和关断损耗。

关断损耗

IGBT是双极性器件，导通时电子和空穴共同参与导电，但关断时由于空穴，只能通过复合逐渐消失，从而产生拖尾电流，拖尾电流是造成IGBT关断损耗的大的主要原因。SiC MOSFET 是单极性器件，只有电子参与导电，关断时没有拖尾电流使得SiC MOSFET关断损耗大大低于
IGBT。

开通损耗

IGBT开通瞬间电流往往会有过冲，这是反并联二极管换流时产生的反向恢复电流。反向恢复电流叠加在IGBT开通电流上，增加了器件的开通损耗。IGBT的反并联二极管往往是Si PiN二极管，反向恢复电流比较明显。而SiC MOSFET的结构里天然集成了一个体二极管，无需额外并联二极管。SiC体二极管参与换流，它的反向恢复电流要远低于IGBT反并联的硅PiN二极管，因此，即使在同样的dv/dt条件下，SiC MOSFET的开通损耗也低于IGBT。另外，SiC MOSFET可以使得伺服驱动器与电机集成在一起，从而摒除线缆上dv/dt的限制，高dV/dt条
件下，SiC的开关损耗会进一步降低，远低于IGBT。即使是开关过程较慢时，碳化硅的开关损耗也优于IGBT。

此外，SiC MOSFET的开关损耗基本不受温度影响，而IGBT的开关损耗随温度上升而明显增加。因此高温下SiC MOSFET的损耗更具优势。

再考虑dv/dt的限制，相同dv/dt条件下，高温下SiC MOSFET总开关损耗会有50%~60%的降低，如果不限制dv/dt，SiC开关总损耗最高降低90%。

从导通特性角度看：

SiC MOSFET导通时没有拐点，很小的VDS电压就能让SiC MOSFET导通，因此在小电流条件下，SiC MOSFET的导通电压远小于IGBT。大电流时IGBT导通损耗更低，这是由于随着器件压降上升，双极性器件IGBT开始导通，由于电导调制效应，电子注入激发更多的空穴，电流迅速上升，输出特性的斜率更陡。对应电机工况，在轻载条件下，SiC MOSFET具有更低的导通损耗。重载或加速条件下，SiC MOSFET导通损耗的优势会有所降低。