使用碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅動(dòng)器的能源效率

3.靜態(tài)與動(dòng)態(tài)效能

以下將比較兩種技術(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特質(zhì),設定條件為一般運作,接面溫度TJ = 110 °C。

圖5為兩種元件的輸出靜態(tài)電流電壓特性曲線(xiàn)(V-I curves)。兩相比較可看出無(wú)論何種狀況下碳化硅MOSFET的優(yōu)勢都大幅領(lǐng)先,因為它的電壓呈現線(xiàn)性向前下降。

即使碳化硅MOSFET必須要有V_GS  = 18 V才能達到很高的R_DS(ON),但可保證靜態(tài)效能遠優(yōu)于硅基IGBT,能大幅減少導電耗損。

圖5:比較動(dòng)態(tài)特質(zhì)

兩種元件都已經(jīng)利用雙脈波測試,從動(dòng)態(tài)的角度加以分析。兩者的比較是以應用為基礎,例如600 V匯流排直流電壓,開(kāi)啟和關(guān)閉的dv/dt均設定為5 V/ns。

圖6為實(shí)驗期間所測得數據之摘要。跟硅基IGBT相比,在本實(shí)驗分析的電流范圍以?xún)?碳化硅MOSFET的開(kāi)啟和關(guān)閉能耗都明顯較低(約減少50%),甚至在5 V/ns的狀況下亦然。

圖6:動(dòng)態(tài)特色的比較

表2:模擬條件

4.電熱模擬

為比較兩種元件在一般工業(yè)傳動(dòng)應用的表現,我們利用意法半導體的PowerStudio軟體進(jìn)行電熱模擬。模擬設定了這類(lèi)應用常見(jiàn)的輸入條件,并使用所有與溫度相關(guān)的參數來(lái)估算整體能源耗損。

用來(lái)比較的工業(yè)傳動(dòng),標稱(chēng)功率為20 kW,換流速度為5 V/ns(輸入條件如表2所列)。

設定4kHz和8 kHz兩種不同切換頻率,以凸顯使用解決方案來(lái)增加f_sw之功能有哪些好處。

因為考量到隨著(zhù)時(shí)間推移,所有馬達通常要在不同的作業(yè)點(diǎn)運轉,所以我們利用一些基本假設來(lái)計算傳動(dòng)的功率損耗。依照定義IE等級成套傳動(dòng)模組(CDM)的EN 50598-2標準,還有新型IES等級的電氣傳動(dòng)系統(PDS),我們將兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)套用在模擬中:一是50%扭矩所產(chǎn)生的電流,第二個(gè)則為100%,對我們的應用來(lái)說(shuō)這代表輸出電流分別為24和40 A_rms。

若以最大負載點(diǎn)而論(100%扭力電流),兩種元件的散熱片熱電阻都選擇維持大約110 °C的接面溫度。

圖7在50%扭力電流和切換頻率4-8 kHz的狀況下,比較了碳化硅MOSFET和硅基IGBT解決方案的功率耗損。

圖8則是在100%扭力電流下以同樣方式進(jìn)行比較。

功率耗損分為開(kāi)關(guān)(傳導和切換)和反平行二極體,以找出主要差別。和硅基IGBT相比,碳化硅MOSFET解決方案很明顯可大幅降低整體功率損耗。有這樣的結果是因為無(wú)論靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀況下,不分開(kāi)關(guān)或二極體,功率耗損都會(huì )減少。

最后,無(wú)論是4或8 kHz的切換頻率,兩種負載狀況的功率耗損減少都落在50%范圍以?xún)取?/p>

從這些結果可以看出,這樣做就能達成更高的能源效率,減少散熱片的散熱需求,對重量、體積和成本來(lái)說(shuō)也都有好處。

表3總結了整個(gè)反相器相關(guān)功率耗損的模擬結果(作業(yè)點(diǎn)100%),以及為了讓兩種元件接面溫度維持在110 °C所必需的相關(guān)散熱片熱電阻條件。

在模擬所設定的條件下,當8 kHz時(shí)Rth會(huì )從硅基IGBT的0.22 °C/W降到碳化硅MOSFET的0.09 °C/W。大幅減少代表散熱片可減容5:1(就強制對流型態(tài)的產(chǎn)品而言),對系統體積、重量和成本有明顯好處。在4 kHz的狀況下,Rth會(huì )從0.35降到0.17 °C/W,相當于4:1容減。

圖7:50%扭力電流下每個(gè)開(kāi)關(guān)的功率耗損

表3:模擬結果概況(作業(yè)點(diǎn)100%)

5.對能源成本的經(jīng)濟影響

當工業(yè)應用對能源的需求較高且必須密集使用,能源效率就成了關(guān)鍵因素之一。

為了將模擬的能源耗損數據結果轉換成能源成本比較概況,必須就年度的負載設定檔和能源成本這些會(huì )隨著(zhù)時(shí)間或地點(diǎn)而有所不同的參數,設定一些基本假設。為達到簡(jiǎn)化的目的,我們把狀況設定在只含兩種功率位階(負載因素100和50%)的基本負載設定檔。設定檔1和設定檔2的差別,只在于每個(gè)功率位準持續的時(shí)間長(cháng)短。為凸顯能源成本的減少,我們將狀況設定為持續運作的工業(yè)應用。任務(wù)檔案1設定為每年有60%的時(shí)間處于負載50%,其他時(shí)間(40%)負載100%。任務(wù)檔案2也是這樣。

對于每個(gè)任務(wù)檔案全年能源成本的經(jīng)濟影響,乃以0.14 €/kWh為能源成本來(lái)計算(歐洲統計局數據,以非家庭用戶(hù)價(jià)格計算)。

從表4可以看出,碳化硅MOSFET每年可省下895.7到1415 kWh的能源。每年可省下的對應成本在125.4到198.1歐元之間,如電壓變動(dòng)比率限制不那么嚴格,則可省更多。

圖8:100%扭力電流下每個(gè)開(kāi)關(guān)的功率耗損

表4:碳化硅MOSFET每年為每個(gè)任務(wù)檔案所省下的能源和成本

6.結論

本文針對採用1200 V硅基IGBT和碳化硅MOSFET之工業(yè)傳動(dòng)用反相器,進(jìn)行了效能基準測試。內容還特別探討馬達繞線(xiàn)和軸承保護所導致在電壓變動(dòng)比率方面的技術(shù)限制,接著(zhù)在20 kW工業(yè)傳動(dòng)條件下,針對上述技術(shù)與限制進(jìn)行比較。結果顯示,使用碳化硅MOSFET取代硅基IGBT可大幅增加電力能源效率,即使換流速度限制在5 V/ns。比較成本后也發(fā)現,在特定的假設條件下,這種做法可減少一般工業(yè)傳動(dòng)應用的能源費用支出。