白皮书导读 | 电机驱动系统中的宽禁带开关器件

近年来，电动汽车的兴起带动了宽禁带器件的应用，并逐渐渗透到各个市场。目前，工业电机主要使用逆变器来提高能效等级，这些逆变器在使用传统硅MOSFET和IGBT作为功率开关时存在一些限制，如总体损耗较高、开关频率和功率输送受限等。随着第三代半导体的兴起，宽禁带器件的应用使得提高电机的功率密度、功率输送能力和效率成为可能。《电机驱动系统中的宽禁带开关器件》白皮书共18页，主要探讨了采用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）宽禁带器件对电机驱动器效率的提升和应用中需要克服的设计问题。

电机技术发展

1.工业电机需满足新能效标准（IE4和IE5），永磁电机、同步磁阻电机和感应电机是主要类型

2.使用电机驱动器可以提高电机能效，宽禁带器件提供了更高效率的机会

3.电机技术的发展对电机驱动器提出新的要求

a.低电感电机：需要高开关频率（50-100 kHz）维持小的纹波电流，宽禁带器件提供了解决方案。

b.高速电机：高基波频率要求高开关频率，宽禁带器件能满足这一需求。

c.恶劣工况：宽禁带器件耐高温（SiC：600°C，GaN：300°C），适合恶劣环境应用。

虽然GaN器件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。

高速器件的应用问题

宽禁带器件是高速器件，在应用在电机驱动器中会碰到一些问题使用：

•绕组绝缘：高开关频率下的高速器件dv/dt高，可能导致匝间短路，需开发新型电机绝缘材料或限制电压变化率dv/dt

• 轴承寿命：高开关速度增加局部放电，降低轴承寿命，如使用陶瓷涂层轴承成本就比较高。参考文章《电机轴电流与电机驱动》

•电缆长度：高开关速度导致信号反射，需使用滤波器或缩短电缆长度

器件品质因数

白皮书评价了不同功率半导体在电机驱动中的应用，做了品质因数的分析和损耗比较。

•比较RDS(on)* Qrr参数时，对于具有连续硬换流的应用（如电机驱动应用），以及带电流连续模式（CCM）图腾柱和功率因数校正（PFC）的应用，SiC和GaN器件优于两种硅器件。

•SiC器件尤其是GaN器件要比任一硅器件驱动损耗要低。

•然而，对于反向导通损耗，宽禁带器件相比于硅MOSFET和硅超结器件，Vf值大幅提高，如果死区时间比较长，会对系统效率造成了很大的负面影响。因此，在考虑在电机驱动逆变器中使用宽禁带器件时，死区时间是需要考虑的一个重要参数，必须将该参数的值控制在尽可能低的水平。

实际开关损耗比较：

•双脉冲试验显示，GaN和SiC开关损耗低于IGBT。

• 宽禁带器件在轻载和高温条件下表现更佳，但IGBT在满载条件下损耗较低。

电机驱动系统案例分析

白皮书的重要部分是以实际案例分析了电机驱动器损耗和电机的高频损耗，深入研究了不同电机转速下高频损耗随开关频率的不同而发生的变化。

结论

•相比使用硅器件，宽禁带开关器件可使电机驱动系统以更高的开关频率运行，从而可以实现更高的总体系统效率。然而，因为需要综合考虑和权衡逆变器损耗和电机损耗，在选择合适的开关频率时应当非常谨慎。

•本白皮书中给出的实验结果表明，在较高开关频率下的电机损耗降低，最合适的开关频率约为20kHz。然而，对于电机轴承和绕组寿命在高开关频率和更快电压变化率（dv/dt）下所受的影响，还需要进行进一步分析。

•另外，更快开关频率对低频损耗、机械损耗和死区补偿的影响，也需要研究。除了帮助已有电机设计实现性能改进，宽禁带器件还有可能为实现满足未来能效要求的全新电机驱动器拓扑创造机会。而且，利用宽禁带开关器件实现的未来电机设计，还可能帮助解决伴随更高开关频率而出现的问题（例如，轴承和绕组磨损等）。

建议读者下载白皮书全文，

仔细阅读一定会有收获。

《电机驱动系统中的宽禁带开关器件---研究采用运行于高开关频率的宽禁带器件的逆变器对电机驱动器损耗的影响》

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