工业驱动使用SiC MOSFET提高能效

工业电源应用基于强大的电动机，可以在风扇、泵、伺服驱动器、压缩机、缝纫机和冰箱中找到。三相电动机是最常见的电动机类型，它由适当的基于逆变器的驱动器驱动。它可以吸收一个行业高达 60% 的整个电力需求，因此对于驱动器提供高效率水平至关重要。

在工业电源应用中，电子设计人员可以通过使用基于碳化硅的晶体管 (SiC MOSFET) 获得巨大的好处，与传统的基于硅的解决方案（例如IGBT（绝缘栅双极晶体管））相比，它提供了显着的效率改进、更小的散热器尺寸和更低的成本晶体管。SiC 技术允许获得非常低的单位面积RDS ON、高开关频率和在体二极管关闭后发生的反向恢复阶段期间的能量损失可以忽略不计。

变频驱动

最常见的基于三相逆变器的驱动电路如图1所示。 这种在工业级广泛使用的拓扑是基于两电平三相逆变器，主要使用分立或功率模块IGBT，具体取决于功率要求，加上续流二极管。六个功率晶体管连接在三个半桥臂中，为电机或其他负载产生三相交流电。每个半桥都被迫在欧姆电感负载（电机）上以特定频率切换，以便能够控制其速度、位置和电磁转矩。IGBT 晶体管是少数载流子器件，具有高输入阻抗和大双极载流能力。在电机控制应用中，由于感性负载特性，通常需要添加反并联或续流二极管以获得功能齐全的开关，尽管在某些特殊情况下不需要续流二极管。与功率晶体管并联放置的续流二极管连接在集电极和发射极端之间以传导反向电流。这些二极管是必需的，因为在关断期间，如果没有提供合适的路径，感性负载电流会产生高电压峰值。反过来，这可能会损坏电源开关。由于其特殊的结构，IGBT 晶体管不像 MOSFET 那样具有寄生二极管。续流二极管可以单片集成或作为分立二极管添加到 IGBT 封装外部。尽管在某些特殊情况下不需要续流二极管。与功率晶体管并联放置的续流二极管连接在集电极和发射极端之间以传导反向电流。这些二极管是必需的，因为在关断期间，如果没有提供合适的路径，感性负载电流会产生高电压峰值。反过来，这可能会损坏电源开关。由于其特殊的结构，IGBT 晶体管不像 MOSFET 那样具有寄生二极管。续流二极管可以单片集成或作为分立二极管添加到 IGBT 封装外部。尽管在某些特殊情况下不需要续流二极管。与功率晶体管并联放置的续流二极管连接在集电极和发射极端之间以传导反向电流。这些二极管是必需的，因为在关断期间，如果没有提供合适的路径，感性负载电流会产生高电压峰值。反过来，这可能会损坏电源开关。由于其特殊的结构，IGBT 晶体管不像 MOSFET 那样具有寄生二极管。续流二极管可以单片集成或作为分立二极管添加到 IGBT 封装外部。续流二极管连接在集电极和发射极端之间以传导反向电流。这些二极管是必需的，因为在关断期间，如果没有提供合适的路径，感性负载电流会产生高电压峰值。反过来，这可能会损坏电源开关。由于其特殊的结构，IGBT 晶体管不像 MOSFET 那样具有寄生二极管。续流二极管可以单片集成或作为分立二极管添加到 IGBT 封装外部。续流二极管连接在集电极和发射极端之间以传导反向电流。这些二极管是必需的，因为在关断期间，如果没有提供合适的路径，感性负载电流会产生高电压峰值。反过来，这可能会损坏电源开关。由于其特殊的结构，IGBT 晶体管不像 MOSFET 那样具有寄生二极管。续流二极管可以单片集成或作为分立二极管添加到 IGBT 封装外部。IGBT 晶体管不像 MOSFET 那样具有寄生二极管。续流二极管可以单片集成或作为分立二极管添加到 IGBT 封装外部。IGBT 晶体管不像 MOSFET 那样具有寄生二极管。续流二极管可以单片集成或作为分立二极管添加到 IGBT 封装外部。

图 1：基于两级三相逆变器的驱动器（来源：ST）

下侧续流二极管反向恢复时，其电流方向与上侧开关相同，反之亦然；因此，导通换向会出现过冲，产生额外的功率损耗，影响整体效率。由于反向恢复电流和反向时间的值要低得多，碳化硅 MOSFET 可以大幅降低恢复损耗，与与硅基 IGBT 共同封装的续流二极管相比，效率显着提高。

开启/关闭换向要求

在工业驱动中，必须特别注意开启和关闭换向速度。事实上，SiC MOSFET dV/dt 可以达到比 IGBT 高得多的水平。如果处理不当，高换向 dv/dt 会增加长电机电缆上的电压尖峰，并可能产生共模和差模寄生电流，随着时间的推移，会导致绕组绝缘和电机轴承失效。尽管更快的开启/关闭提高了效率，但出于上述可靠性原因，工业驱动器中的典型 dv/dt 通常设置为 5 到 10 V/ns。

ST对两个相似的1.2kV功率晶体管SiC MOSFET和Si基IGBT进行了比较，结果证明，与SiC MOSFET器件相比，SiC MOSFET器件在开通和关断时都可以保证更少的能量损失。 Si IGBT，即使在 5 V/ns 的强加条件下。

静态和动态特性

使用相同类型的晶体管，ST 进行的分析还可以比较静态和动态操作中的特性（或电压-电流）曲线。图 2 所示的静态特性曲线是在结温 T J = 125°C 下获得的。从两条曲线之间的比较来看，碳化硅解决方案提供的显着优势在整个电压和电流范围内都体现出来，这主要归功于其线性正向压降。相反，IGBT 晶体管表现出非线性电压降 (V CE(sat) )，其本身取决于集电极电流。

在大约 40A 的电流下达到盈亏平衡点：低于此值，SiC MOSFET 的传导损耗低于 IGBT。发生这种情况是因为 SiC MOSFET 利用其线性静态特性带来的静态损耗。而且，即使 SiC MOSFET 需要 V GS =18V 才能实现出色的 R DS(ON)，它也可以提供比硅基 IGBT 更好的静态性能，从而显着降低传导损耗。

图 2：SiC 和 IGBT MOSFET VI 曲线比较（来源：ST）

还使用双脉冲测试从动态角度对这两种设备进行了分析。该特定测试的目的是在开启和关闭条件下提供动态损耗测量。获得的结果表明，与 Si IGBT 相比，即使在 5 V/ns 条件下，SiC MOSFET 在所分析的整个电流范围内都显示出显着较低的开启和关闭能量（约 -50%）。在 50V/ns 时，碳化硅 MOSFET 可进一步降低损耗。IGBT 无法达到那么高的换向速度。

电热模拟

为了在典型的工业驱动应用中比较 SiC MOSFET 和 Si IGBT，电热模拟是更好的选择。关于 ST 分析，该模拟是使用他们的专有软件工具 PowerStudio 进行的。该软件提供全面的功率和热分析，能够预测器件性能、缩短解决方案设计并节省时间和资源。此外，该工具有助于选择适合应用程序任务配置文件的适当设备。ST PowerStudio 基于非常精确的内置电气和热模型，适用于每个设备，并且由于迭代计算，考虑到自热效应，它提供了对功率损耗以及结点和外壳温度的高度准确的估计. 使用 PowerStudio 进行的 ST 电热仿真证明，使用 SiC MOSFET 可以实现更高的能源效率，从而降低任何散热器的热要求，并有利于减轻重量、空间和成本。与 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 解决方案在静态和动态条件下以及开关和二极管方面的总功率损耗要低得多。

　　审核编辑：汤梓红