碳化硅在下一代工業電機驅動器中的作用
2021-4-27 來源：安森美半導體工業 作者：Ali Husain
國際能源署(IEA)估計，電機功耗占世界總電力的45%以上。因此，找到最大化其運行能效的方法至關重要。能效更高的驅動裝置可以更小，并且更靠近電機，從而減少長電纜帶來的挑戰。從整體成本和持續可靠性的角度來看，這將具有現實意義。寬禁帶(WBG)半導體技術的出現將有望在實現新的電機能效和外形尺寸基準方面發揮重要作用。
使用WBG材料如碳化硅(SiC)可制造出性能超越硅(Si)的同類產品。雖然有各種重要的機會使用這項技術，但工業電機驅動正獲得最大的興趣和關注。
SiC的高電子遷移率使其能夠支持更快的開關速度。這些更快的開關速度意味著相應的開關損耗也將減少。它的介電擊穿場強幾乎比硅高一個數量級。這能實現更薄的漂移層，這將轉化為更低的導通電阻值。此外，由于SiC的導熱系數是Si的三倍，因此在散熱方面要高效得多。因此，更容易減小熱應力。
傳統的高壓電機驅動器會采用三相逆變器，其中Si IGBT集成反并聯二極管。三個半橋相位驅動逆變器的相應相線圈，以提供正弦電流波形，隨后使電機運行。逆變器中浪費的能量將來自兩個主要來源-導通損耗和開關損耗。用基于SiC的開關代替Si基開關，可減小這兩種損耗。
SiC肖特基勢壘二極管不使用反并聯硅二極管，可集成到系統中。硅基二極管有反向恢復電流，會造成開關損耗（以及產生電磁干擾，或EMI），而SiC二極管的反向恢復電流可忽略不計。這使得開關損耗可以減少達30%。由于這些二極管產生的EMI要低得多，所以對濾波的需求也不會那么大（導致物料清單更小）。還應注意，反向恢復電流會增加導通時的集電極電流。由于SiC二極管的反向恢復電流要低得多，在此期間通過IGBT的峰值電流將更小，從而提高運行的可靠性水平并延長系統的使用壽命。
因此，如果要提高驅動效率及延長系統的工作壽命時，遷移到SiC 肖特基顯然是有利的。那么我們何以采取更進一步的方案呢？如果用SiC MOSFET取代負責實際開關功能的IGBT，那么能效的提升將更顯著。在相同運行條件下，SiC MOSFET的開關損耗要比硅基IGBT低五倍之多，而導通損耗則可減少一半之多。
WBG方案的其他相關的好處包括大幅節省空間。SiC提供的卓越導熱性意味著所需的散熱器尺寸將大大減少。使用更小的電機驅動器，工程師可將其直接安裝在電機外殼上。這將減少所需的電纜數量。
安森美半導體現在為工程師提供與SiC二極管共同封裝的IGBT。此外，我們還有650 V、900 V和1200 V額定值的SiC MOSFET。采用這樣的產品，將有可能變革電機驅動，提高能效參數，并使實施更精簡。
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