浮思特 | 碳化硅驱动电机的总拥有成本——总体情况

在各种应用领域取得商业成功之后，碳化硅准备进入竞争激烈的工业电机驱动市场。碳化硅功率模块的实际好处不仅仅局限于效率提升。对比两种电机驱动类型可以看到在各个方面都能节省成本。关键是从整体的角度来看。

在太阳能、能源储存系统、电动汽车和电动汽车充电器等领域，碳化硅MOSFET已经被证明是硅IGBT的商业可行替代方案。这些都是效率提升和滤波器尺寸减小能够抵消任何材料成本增加的应用领域。作为商品的工业电机驱动，需要低成本、坚固耐用的功率半导体器件，对于器件级的效率要求不高。

然而，全球能源成本的上升以及关于电流谐波和CO2排放的监管要求，正在推动设计师寻找更高效的解决方案。加上大规模生产、具有短路能力的碳化硅功率器件的可用性，意味着碳化硅在电机驱动中有一席之地。通过对两种不同驱动类型的研究，可以研究碳化硅在不同电路位置的技术优势。

线路侧(低谐波/再生驱动)

现代性能驱动通常采用活动前端(AFE)，使用活动器件而不是被动整流器连接到电网的原因有两个。1)解决驱动器对电网造成的谐波内容。三相活动器件桥可以与电网频率同步，并从电网中提取接近于单位功率因数的正弦电流。这种拓扑结构支持满足谐波要求并提高电网的利用率。随着工业和应用的电气化不断推进，这个问题变得越来越重要。2)能够将能量送回电网。这在那些在运行过程中可以产生能量的应用中非常有益，否则这些能量必须通过被动刹车电阻进行消耗。这些应用可以是伺服驱动器、起重机、电梯、自动扶梯、下坡输送机、测功仪等。

最简单的AFE通常使用如图1所示的电路。对于这种情况，用碳化硅MOSFET替换IGBT及其相关的自由轮二极管可以为整个系统带来多重好处。

图1

对以下具有以下操作参数的完整的20 kW(27马力)的AFE驱动进行了研究:

VDC: 750 V

Vline: 400 V

Iline: 30 A

PF: 0.98

fline: 50 Hz

fsw: Si = 5 kHz，SiC = 20 kHz

Rth(s-a): 0.31 K/W

Tamb: 40°C

此比较的基准Si IGBT功率模块使用了最新一代(第7代)1200 V/50 A IGBT，而所选的碳化硅MOSFET功率模块使用了1200 V/18 mΩ MOSFET。两个模块采用相同的封装，Semikron Danfoss的SEMITOP E1。在此模拟中，增加碳化硅的开关频率直到达到与Si器件相同的结温。

表1

即使在四倍的载波频率下，碳化硅器件的每个三相电路的总损耗仍然低于34%。此外，这直接影响到LCL滤波器的尺寸。更高的开关频率会减小所需的电感和电容。电感器的总重量减少了近一半，而总体体积减小了70%。尽管碳化硅功率模块的成本高于硅器件，但必须考虑到系统的总拥有成本:

• 驱动器体积和重量更小：

• 减少运输、包装和存储空间

• 安装更容易

• 面板和安装空间更小

• 减少瓦特损耗

• 节能和降低成本

• 较低的冷却需求

从更广泛的范围来看，碳化硅带来的实质性好处不仅可以弥补组件成本。在AFE应用中，它们还提供了整个产品寿命周期内的实质性成本优势。

逆变器侧(传统驱动)

与AFE示例相比，驱动器连接到电机的逆变器侧对于实施碳化硅来说存在挑战。在这里，与AFE示例相比，必须考虑一些限制和关键要求:

·逆变器必须能够承受短路

·必须限制dv/dt(如<5 kV/µs)以避免对电机的损坏

·为了将驱动损耗保持在可接受的水平并避免屏蔽电机电缆中过多的泄漏电流，必须限制开关频率

碳化硅MOSFET的短路能力一直是一个重要的问题。然而，随着最新一代的推出，现在有了能够处理几微秒短路的碳化硅器件，使其成为电机驱动的可行选择。

图2

从图2的原理图可以看出，在这种应用中，没有可以通过提高开关频率来减少的磁性元件。然而，在这种应用中，碳化硅仍然可以提供有价值的好处。这通过一个例子来说明，这是一个具有以下参数的标准的15kW(20马力)电机驱动，通常用于可变转矩应用:

VDC: 560 V

Vout: 355 V

Iout: 26 A

过载: 110%/1 min

PF: 0.98(永磁电机)

fout: 50 Hz

fsw: Si/SiC = 5 kHz(dv/dt限制为5 kV/µs)

Rth(s-a): 0.31 K/W

Tamb: 50°C

此比较的基准Si IGBT功率模块使用了最新一代(第7代)1200 V/35 A IGBT，采用SEMITOP E2封装。所选的碳化硅MOSFET功率模块使用了1200 V/18 mΩ MOSFET。这个MOSFET是ROHM Semiconductor的最新第四代产品，在Semikron Danfoss功率模块中使用时具有额定的2微秒短路能力(VG = 18 V，Tj = 150°C，VDC = 720 V)。对于两个示例模块，外部门极电阻被选为限制dv/dt在5 kV/µs的水平。

该应用驱动一个具有二次方扭矩特性的离心泵，如图3所示。实际应用中的泵主要在40%到80%的转速范围内运行。这个操作区域对应于一个电流范围，碳化硅MOSFET在这个范围内的导通损耗低于硅IGBT。当MOSFET减速到5 kV/µs时，与IGBT解决方案相比，开关损耗几乎没有优势。然而，由于线性前向特性，MOSFET的导通损耗要小得多。

图3

图4显示了一个完整的15 kW驱动(包括二极管前端、直流电容器和逆变器)的损耗和效率，其中灰色表示Si IGBT，红色表示碳化硅MOSFET。

图4

结果显示，碳化硅在适用转速范围内的损耗明显优于硅。在低速下，碳化硅驱动的损耗比硅版本低7%，在全速下降低22%。这相当于低速下总效率提高了0.6%，高速下提高了0.5%。通过对驱动在操作过程中在不同转速下运行的时间进行估算，可以将这些值转化为实际节省的成本。图5中的年负载估算是基于工业泵驱动的典型应用。如果计算每个负载点的损耗，可以计算出每个驱动器在一年内的总能量损耗。

图5

一年内，碳化硅驱动的累计能量消耗仅为377千瓦时，而硅驱动的能量消耗为651千瓦时。这意味着能源消耗减少了42%，对环境和财务都有实际的影响。每年温室气体减少125千克二氧化碳(全球混合，2023年)。在德国这样的国家(0.20€/kWh，2023年)，碳化硅驱动的成本增加可以在一年内得到补偿;而在美国这样的国家，电力成本较低，可以在不到三年的时间内得到补偿。

最后，利用碳化硅具有物理上的优势，可以使用碳化硅制造功率等级相同的驱动器更小。进一步的模拟显示，碳化硅的较低半导体功耗可以使散热器体积减小高达71%，在相同温升下。对于工业驱动器来说，这意味着可以减少风量和冷却风扇的数量。此外，驱动器安装的面板和柜子可以更小、更轻，减少了材料、物流和安装成本。相反，如果保持相同的热设计，对于给定的电机驱动机架尺寸，输出功率可以增加多达25%。

碳化硅功率模块

为了满足驱动器制造商的需求，Semikron Danfoss提供常见拓扑和封装的碳化硅功率模块(图6)。SEMITOP E、MiniSKiiP和SEMITRANS Classic都可以配备ROHM最新一代的碳化硅MOSFET，具有短路能力和单极性门控。

图6

这些器件与现有的Si器件兼容，可使用高性能的预应用热界面材料。为了获得最高的功率循环可靠性，MiniSKiiP封装提供了烧结芯片。这些芯片使碳化硅在伺服或机器人驱动等存在严重过载峰值的应用中得到应用。

总体情况

这两个例子展示了当切换到碳化硅时，驱动器制造商和最终用户获得的新自由度的味道，即使没有将材料推到极限。对于高速马达在涡轮压缩机中的特殊驱动应用，甚至可以获得更多的好处。这些情况通常不受dv/dt和开关频率限制的限制。

在模块级别上进行成本比较是没有意义的。视野必须扩展，包括驱动系统和总拥有成本。在这种情况下,SIC带来的整体收益超过模块成本的增加。具有高性能和新的健壮性, 是下一代的选择 工业马达驱动器。

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