使用碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅動器的能源效率

3.靜態(tài)與動態(tài)效能

以下將比較兩種技術的靜態(tài)和動態(tài)特質,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(V-I curves)。兩相比較可看出無論何種狀況下碳化硅MOSFET的優(yōu)勢都大幅領先,因為它的電壓呈現線性向前下降。

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:比較動態(tài)特質

兩種元件都已經利用雙脈波測試,從動態(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,開啟和關閉的dv/dt均設定為5 V/ns。

圖6為實驗期間所測得數據之摘要。跟硅基IGBT相比,在本實驗分析的電流范圍以內,碳化硅MOSFET的開啟和關閉能耗都明顯較低(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)傳動應用的表現,我們利用意法半導體的PowerStudio軟體進行電熱模擬。模擬設定了這類應用常見的輸入條件,并使用所有與溫度相關的參數來估算整體能源耗損。

用來比較的工業(yè)傳動,標稱功率為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增加f_sw之功能有哪些好處。

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

若以最大負載點而論(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行比較。

功率耗損分為開關(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論靜態(tài)和動態(tài)狀況下,不分開關或二極體,功率耗損都會減少。

最后,無論是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%范圍以內。

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、體積和成本來說也都有好處。

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

在模擬所設定的條件下,當8 kHz時Rth會從硅基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)的產品而言),對系統(tǒng)體積、重量和成本有明顯好處。在4 kHz的狀況下,Rth會從0.35降到0.17 °C/W,相當于4:1容減。

圖7:50%扭力電流下每個開關的功率耗損

表3:模擬結果概況(作業(yè)點100%)

5.對能源成本的經濟影響

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隨著時間或地點而有所不同的參數,設定一些基本假設。為達到簡化的目的,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,只在于每個功率位準持續(xù)的時間長短。為凸顯能源成本的減少,我們將狀況設定為持續(xù)運作的工業(yè)應用。任務檔案1設定為每年有60%的時間處于負載50%,其他時間(40%)負載100%。任務檔案2也是這樣。

對于每個任務檔案全年能源成本的經濟影響,乃以0.14 €/kWh為能源成本來計算(歐洲統(tǒng)計局數據,以非家庭用戶價格計算)。

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,如電壓變動比率限制不那么嚴格,則可省更多。

圖8:100%扭力電流下每個開關的功率耗損

表4:碳化硅MOSFET每年為每個任務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)傳動用反相器,進行了效能基準測試。內容還特別探討馬達繞線和軸承保護所導致在電壓變動比率方面的技術限制,接著在20 kW工業(yè)傳動條件下,針對上述技術與限制進行比較。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)傳動應用的能源費用支出。