碳化硅用于電機驅動(dòng)

0   引言

近年來(lái)，電力電子領(lǐng)域最重要的發(fā)展是所謂的寬禁帶（WBG）材料的興起，即碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。WBG 材料的特性有望實(shí)現更小、更快、更高效的電力電子產(chǎn)品。WBG 功率器件已經(jīng)對從普通電源和充電器到太陽(yáng)能發(fā)電和能量存儲的廣泛應用和拓撲結構產(chǎn)生了影響。SiC 功率器件進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間比氮化鎵長(cháng)，通常用于更高電壓、更高功率的應用。電機在工業(yè)應用的總功率中占了相當大的比例。

它們被用于暖通空調（HVAC）、重型機器人、物料搬運和許多其他功能。提高電機驅動(dòng)的能效和可靠性是降低成本的一個(gè)重要途徑。SiC 在高功率工業(yè)驅動(dòng)中的應用越來(lái)越多。SiC 的獨特性能使其成為應對這些挑戰的首選電力電子材料。

圖1 寬禁帶優(yōu)勢

1   SiC材料特性

SiC 是一種半導體材料，它的帶隙（3.26 eV）比硅（1.12 eV）大，對電力電子器件來(lái)說(shuō)有許多有利的特性。

SiC 的介電擊穿強度比硅高10 倍（圖1）。功率電子開(kāi)關(guān)最重要的功能之一是保持高電壓。由于介電強度高，SiC 可支持高電壓在較短的距離內通過(guò)器件。這個(gè)距離也是垂直器件中溝道和漏極觸點(diǎn)之間的漂移區域。更短的漂移區域降低了器件的電阻，使產(chǎn)生的功率損耗更低。

寬帶隙也減少了熱激發(fā)載流子的數量，導致自由電子減少，漏電流降低。

此外，與傳統Si 器件相比，SiC 漏電流小，而且在更大的溫度范圍內很穩定。這使得SiC MOSFET 和二極管成為高溫應用的更高效選擇。

SiC 的熱導率比硅高3 倍，可實(shí)現更好的散熱。功率電子器件的散熱是系統設計的重要一環(huán)。SiC 的熱導率使開(kāi)關(guān)的工作溫度和熱應力降低。

最后，SiC 的電子飽和速度是硅的2 倍，這使得開(kāi)關(guān)速度更快。更快的開(kāi)關(guān)具有更低的開(kāi)關(guān)損耗，可以在更高的脈寬調制（PWM）頻率下工作。在一些電源轉換拓撲結構中，更高的PWM頻率允許使用更小、更輕和更便宜的無(wú)源元件，這些元件往往是系統中最大和最昂貴的部分。

制造SiC 晶圓（半導體器件的原材料）的過(guò)程比制造Si 晶圓更具挑戰性。硅晶錠可以從熔體中拉出，而碳化硅晶錠必須通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在真空室中生長(cháng)。這是個(gè)緩慢的過(guò)程，而且要使生長(cháng)缺陷數可接受是很難的。SiC 是一種相對較硬、較脆的材料（通常用于工業(yè)切割），因此，需要特殊的工藝來(lái)切割晶錠。

安森美半導體有多個(gè)SiC 基板的供應協(xié)議，可確保產(chǎn)能滿(mǎn)足SiC 需求的增長(cháng)。此外，我們正發(fā)展SiC基板的內部供應。

2   改進(jìn)三相逆變器

三相逆變器是可變速高壓電機驅動(dòng)的傳統方案，其硅IGBT 與反并聯(lián)二極管共同封裝，用于支持電機電流換向。3 個(gè)半橋相位驅動(dòng)逆變器的三相線(xiàn)圈，以提供正弦電流波形并驅動(dòng)電機。

有幾種方法可用SiC 提高系統的性能。逆變器中浪費的能量由導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗組成。SiC 器件會(huì )影響這兩種損耗機制。

用SiC 肖特基勢壘二極管代替反并聯(lián)硅二極管變得越來(lái)越普遍。Si 反向二極管有反向恢復電流，這會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗并產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。SiC 二極管的優(yōu)點(diǎn)是幾乎沒(méi)有反向恢復電流，可降低30％的開(kāi)關(guān)損耗，并可能減少對EMI 濾波器的需求。同樣，反向恢復電流在導通時(shí)會(huì )增加集電極電流，因此SiC 二極管會(huì )減小流過(guò)IGBT 的峰值電流，從而提高系統的可靠性。

提高逆變器能效的下一步是用SiC MOSFET 完全取代IGBT。SiC MOSFET 可降低5 倍開(kāi)關(guān)損耗，從而進(jìn)一步提高能效。SiC MOSFET 的導通損耗可以是相同額定電流的Si IGBT 的一半，具體取決于器件的選擇。

能效的提高導致更少的散熱。設計人員可以通過(guò)縮小冷卻系統或完全消除主動(dòng)冷卻來(lái)降低成本。較小的電機驅動(dòng)器可直接安裝在電機殼體上，從而減少電纜和電機驅動(dòng)器柜。

WBG 器件開(kāi)關(guān)速度很快，這減少了開(kāi)關(guān)損耗，但帶來(lái)了其他挑戰。較高的dV/dt 會(huì )產(chǎn)生噪聲，并可能導致對電機繞組的絕緣產(chǎn)生應力。一種解決方案是使用門(mén)極電阻來(lái)減慢開(kāi)關(guān)速度，但隨后開(kāi)關(guān)損耗會(huì )回升至IGBT 的水平。另一種解決方案是在電機相位上放置一個(gè)濾波器。濾波器尺寸隨PWM 頻率的增加而縮小，可在散熱性和濾波器成本之間進(jìn)行權衡。

快速開(kāi)關(guān)功率器件不能耐受逆變器電路中的雜散電感和電容。所謂的“寄生”電感會(huì )由于開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的高瞬變而導致電壓尖峰。為消除寄生效應，應確保印刷電路板（PCB）的布局正確。所有電源回路和走線(xiàn)要短，器件排列緊密。即使是門(mén)極驅動(dòng)回路也應謹慎地最小化，以減少由于噪聲而導致不想要的器件導通的可能。

功率模塊以正確的拓撲結構將多個(gè)器件集成在一起用于電機驅動(dòng)（以及其他），從而提供了一種具有低寄生電感和優(yōu)化布局的更快的解決方案。功率模塊可減少需要連到散熱器上的器件數量，從而節省PCB面積并簡(jiǎn)化熱管理。

3   安森美半導體的方案

安森美半導體提供不斷擴增的SiC 器件陣容，適用于廣泛應用。我們的SiC 二極管有650 V（如圖2）、1 200 V 及1 700 V 版本， 采用TO-220、TO-247、DPAK 及D2PAK 封裝。我們還將SiC 二極管與IGBT共同封裝，以獲得平衡性能和成本的混合解決方案。我們的SiC MOSFET，有650 V（新發(fā)布的）、900 V和1 200 V 版本，采用3 引線(xiàn)和4 引線(xiàn)封裝。我們正在開(kāi)發(fā)一個(gè)基于SiC MOSFET 的三相逆變器模塊。最后，我們還提供專(zhuān)為SiC 開(kāi)關(guān)設計的非隔離型和電隔離型門(mén)極驅動(dòng)器，以構成全面的解決方案。

圖2 安森美半導體的新的650 V SiC MOSFET

4   結束語(yǔ)

SiC 器件的快速開(kāi)關(guān)和更低損耗使其成為高效、集成電機驅動(dòng)器的重要解決方案。系統設計人員可縮小電機驅動(dòng)器的尺寸并使其更靠近電機，以降低成本并提高可靠性。安森美半導體提供的用于SiC 電機驅動(dòng)器的廣泛且不斷擴增的器件和系統適用于廣泛的工業(yè)應用。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年6月期）