使用碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅(qū)動(dòng)器的能源效率

本文將強(qiáng)調(diào)出無論就能源效率、散熱片尺寸或節(jié)省成本方面來看,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(dá)佔(zhàn)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(zhàn)。因此,半導(dǎo)體製造商必須花費(fèi)大量心神,來強(qiáng)化轉(zhuǎn)換器階段所使用功率元件之效能。意法半導(dǎo)體(ST)最新的碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(SiC MOSFET)技術(shù),為電力切換領(lǐng)域立下全新的效能標(biāo)準(zhǔn)。

1.導(dǎo)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),但最近開發(fā)的碳化硅MOSFET元件,為這個(gè)領(lǐng)域另外開闢出全新的可能性。

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

考量到幫浦、風(fēng)扇和伺服驅(qū)動(dòng)等工業(yè)傳動(dòng)都必須持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),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,兩者皆採ACEPACK?封裝,請見表1。

本文將利用意法半導(dǎo)體的PowerStudio軟體,將雙脈波測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)測量結(jié)果套用在模擬當(dāng)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(tǒng)的要求。

表1:元件分析

圖1:開啟狀態(tài)的碳化硅MOSFET

2.主要的技術(shù)關(guān)鍵推手和應(yīng)用限制

以反相器為基礎(chǔ)的傳動(dòng)應(yīng)用,最常見的拓?fù)渚褪且?個(gè)電源開關(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(fù)載(馬達(dá))上的硬開關(guān)換流運(yùn)作,藉此控制它的速度、位置或電磁轉(zhuǎn)距。因?yàn)殡姼行载?fù)載的關(guān)係,每次換流都需要6個(gè)反平行二極體執(zhí)行續(xù)流相位。當(dāng)下旁(lower side)飛輪二極體呈現(xiàn)反向恢復(fù),電流的方向就會和上旁(upper side)開關(guān)相同,反之亦然;因此,開啟狀態(tài)的換流就會電壓過衝(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(fù)對功率損失有很大的影響,因此也會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?yàn)榉聪蚧謴?fù)電流和恢復(fù)時(shí)間的數(shù)值都低很多,因此能大幅減少恢復(fù)耗損以及對能耗的影響。

圖2:開啟狀態(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在開啟狀態(tài)下的換流情形。請看藍(lán)色條紋區(qū)塊,碳化硅MOSFET的反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時(shí)間都減少很多。開啟和關(guān)閉期間的換流速度加快可減少開關(guān)時(shí)的電源耗損,但開關(guān)換流的速度還是有一些限制,因?yàn)榭赡茉斐呻姶鸥蓴_、電壓尖峰和振盪問題惡化。

除此之外,影響工業(yè)傳動(dòng)的重要參數(shù)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(xiǎn)。換流時(shí)電壓變動(dòng)的比率(dv/dt)較高,馬達(dá)線路較長時(shí)確實(shí)會增加電壓尖峰,讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴(yán)重,長久以往可能導(dǎo)致繞組絕緣和馬達(dá)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)條件看似會限制碳化硅MOSFET的實(shí)地應(yīng)用,因?yàn)榭焖贀Q流就是它的主要特色之一,但專為馬達(dá)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(xiàn)交換速度。在任何一個(gè)案例當(dāng)中,無論圖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(qiáng)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