使用碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅動(dòng)器的能源效率

本文將強調出無(wú)論就能源效率、散熱片尺寸或節省成本方面來(lái)看,工業(yè)傳動(dòng)不用硅基(Si)絕緣柵雙極電晶體(IGBT)而改用碳化硅MOSFET有哪些優(yōu)點(diǎn)。

摘要

由于電動(dòng)馬達佔工業(yè)大部分的耗電量,工業(yè)傳動(dòng)的能源效率成為一大關(guān)鍵挑戰。因此,半導體製造商必須花費大量心神,來(lái)強化轉換器階段所使用功率元件之效能。意法半導體(ST)最新的碳化硅金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體(SiC MOSFET)技術(shù),為電力切換領(lǐng)域立下全新的效能標準。

1.導言

目前工業(yè)傳動(dòng)通常採用一般所熟知的硅基IGBT反相器(inverter),但最近開(kāi)發(fā)的碳化硅MOSFET元件,為這個(gè)領(lǐng)域另外開(kāi)闢出全新的可能性。

意法半導體的碳化硅MOSFET技術(shù),不但每單位面積的導通電阻非常之低,切換效能絕佳,而且跟傳統的硅基續流二極體(FWD)相比,內接二極體關(guān)閉時(shí)的反向恢復能量仍在可忽略范圍內。

考量到幫浦、風(fēng)扇和伺服驅動(dòng)等工業(yè)傳動(dòng)都必須持續運轉,利用碳化硅MOSFET便有可能提升能源效率,并大幅降低能耗。

本文將比較1200 V碳化硅MOSFET和Si IGBT的主要特色,兩者皆?huà)馎CEPACK?封裝,請見(jiàn)表1。

本文將利用意法半導體的PowerStudio軟體,將雙脈波測試的實(shí)驗數據和統計測量結果套用在模擬當中。模擬20kW的工業(yè)傳動(dòng),并評估每個(gè)解決方案每年所耗電力,還有冷卻系統的要求。

表1:元件分析

圖1:開(kāi)啟狀態(tài)的碳化硅MOSFET

2.主要的技術(shù)關(guān)鍵推手和應用限制

以反相器為基礎的傳動(dòng)應用,最常見(jiàn)的拓撲就是以6個(gè)電源開(kāi)關(guān)連接3個(gè)半橋接電橋臂。

每一個(gè)半橋接電橋臂,都是以歐姆電感性負載(馬達)上的硬開(kāi)關(guān)換流運作,藉此控制它的速度、位置或電磁轉距。因為電感性負載的關(guān)係,每次換流都需要6個(gè)反平行二極體執行續流相位。當下旁(lower side)飛輪二極體呈現反向恢復,電流的方向就會(huì )和上旁(upper side)開(kāi)關(guān)相同,反之亦然;因此,開(kāi)啟狀態(tài)的換流就會(huì )電壓過(guò)衝(overshoot),造成額外的功率耗損。這代表在切換時(shí),二極體的反相恢復對功率損失有很大的影響,因此也會(huì )影響整體的能源效率。

跟硅基FWD搭配硅基IGBT的作法相比,碳化硅MOSFET因為反向恢復電流和恢復時(shí)間的數值都低很多,因此能大幅減少恢復耗損以及對能耗的影響。

圖2:開(kāi)啟狀態(tài)的硅基IGBT

圖1和圖2分別為50 A-600 VDC狀況下,碳化硅MOSFET和硅基IGBT在開(kāi)啟狀態(tài)下的換流情形。請看藍色條紋區塊,碳化硅MOSFET的反向恢復電流和反向恢復時(shí)間都減少很多。開(kāi)啟和關(guān)閉期間的換流速度加快可減少開(kāi)關(guān)時(shí)的電源耗損,但開(kāi)關(guān)換流的速度還是有一些限制,因為可能造成電磁干擾、電壓尖峰和振盪問(wèn)題惡化。

除此之外,影響工業(yè)傳動(dòng)的重要參數之一,就是反相器輸出的快速換流暫態(tài)造成損害的風(fēng)險。換流時(shí)電壓變動(dòng)的比率(dv/dt)較高,馬達線(xiàn)路較長(cháng)時(shí)確實(shí)會(huì )增加電壓尖峰,讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴重,長(cháng)久以往可能導致繞組絕緣和馬達軸承故障。因此為了保障可靠度,一般工業(yè)傳動(dòng)的電壓變動(dòng)率通常在5-10 V/ns。雖然這個(gè)條件看似會(huì )限制碳化硅MOSFET的實(shí)地應用,因為快速換流就是它的主要特色之一,但專(zhuān)為馬達控制所量身訂做的1200 V 硅基IGBT,其實(shí)可以在這些限制之下展現交換速度。在任何一個(gè)案例當中,無(wú)論圖1、圖2、圖3、圖4都顯示,跟硅基IGBT相比,碳化硅MOSFET元件開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)都保證能減少能源耗損,即使是在5 V/ns的強制條件下。

圖3:關(guān)閉狀態(tài)的硅基MOSFET

圖4:關(guān)閉狀態(tài)的硅基IGBT