碳化硅用于電機驅(qū)動

0   引言

近年來，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 材料的特性有望實現(xiàn)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能發(fā)電和能量存儲的廣泛應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。SiC 功率器件進入市場的時間比氮化鎵長，通常用于更高電壓、更高功率的應(yīng)用。電機在工業(yè)應(yīng)用的總功率中占了相當(dāng)大的比例。

它們被用于暖通空調(diào)（HVAC）、重型機器人、物料搬運和許多其他功能。提高電機驅(qū)動的能效和可靠性是降低成本的一個重要途徑。SiC 在高功率工業(yè)驅(qū)動中的應(yīng)用越來越多。SiC 的獨特性能使其成為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)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(dǎo)體材料，它的帶隙（3.26 eV）比硅（1.12 eV）大，對電力電子器件來說有許多有利的特性。

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(nèi)通過器件。這個距離也是垂直器件中溝道和漏極觸點之間的漂移區(qū)域。更短的漂移區(qū)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(shù)量，導(dǎo)致自由電子減少，漏電流降低。

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

SiC 的熱導(dǎo)率比硅高3 倍，可實現(xiàn)更好的散熱。功率電子器件的散熱是系統(tǒng)設(shè)計的重要一環(huán)。SiC 的熱導(dǎo)率使開關(guān)的工作溫度和熱應(yīng)力降低。

最后，SiC 的電子飽和速度是硅的2 倍，這使得開關(guān)速度更快。更快的開關(guān)具有更低的開關(guān)損耗，可以在更高的脈寬調(diào)制（PWM）頻率下工作。在一些電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，更高的PWM頻率允許使用更小、更輕和更便宜的無源元件，這些元件往往是系統(tǒng)中最大和最昂貴的部分。

制造SiC 晶圓（半導(dǎo)體器件的原材料）的過程比制造Si 晶圓更具挑戰(zhàn)性。硅晶錠可以從熔體中拉出，而碳化硅晶錠必須通過化學(xué)氣相沉積法在真空室中生長。這是個緩慢的過程，而且要使生長缺陷數(shù)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，需要特殊的工藝來切割晶錠。

安森美半導(dǎo)體有多個SiC 基板的供應(yīng)協(xié)議，可確保產(chǎn)能滿足SiC 需求的增長。此外，我們正發(fā)展SiC基板的內(nèi)部供應(yīng)。

2   改進三相逆變器

三相逆變器是可變速高壓電機驅(qū)動的傳統(tǒng)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 個半橋相位驅(qū)動逆變器的三相線圈，以提供正弦電流波形并驅(qū)動電機。

有幾種方法可用SiC 提高系統(tǒng)的性能。逆變器中浪費的能量由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗組成。SiC 器件會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)硅二極管變得越來越普遍。Si 反向二極管有反向恢復(fù)電流，這會增加開關(guān)損耗并產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。SiC 二極管的優(yōu)點是幾乎沒有反向恢復(fù)電流，可降低30％的開關(guān)損耗，并可能減少對EMI 濾波器的需求。同樣，反向恢復(fù)電流在導(dǎo)通時會增加集電極電流，因此SiC 二極管會減小流過IGBT 的峰值電流，從而提高系統(tǒng)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 倍開關(guān)損耗，從而進一步提高能效。SiC MOSFET 的導(dǎo)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(dǎo)致更少的散熱。設(shè)計人員可以通過縮小冷卻系統(tǒng)或完全消除主動冷卻來降低成本。較小的電機驅(qū)動器可直接安裝在電機殼體上，從而減少電纜和電機驅(qū)動器柜。

WBG 器件開關(guān)速度很快，這減少了開關(guān)損耗，但帶來了其他挑戰(zhàn)。較高的dV/dt 會產(chǎn)生噪聲，并可能導(dǎo)致對電機繞組的絕緣產(chǎn)生應(yīng)力。一種解決方案是使用門極電阻來減慢開關(guān)速度，但隨后開關(guān)損耗會回升至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行權(quán)衡。

快速開關(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”電感會由于開關(guān)過程中產(chǎn)生的高瞬變而導(dǎo)致電壓尖峰。為消除寄生效應(yīng)，應(yīng)確保印刷電路板（PCB）的布局正確。所有電源回路和走線要短，器件排列緊密。即使是門極驅(qū)動回路也應(yīng)謹(jǐn)慎地最小化，以減少由于噪聲而導(dǎo)致不想要的器件導(dǎo)通的可能。

功率模塊以正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將多個器件集成在一起用于電機驅(qū)動（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(shù)量，從而節(jié)省PCB面積并簡化熱管理。

3   安森美半導(dǎo)體的方案

安森美半導(dǎo)體提供不斷擴增的SiC 器件陣容，適用于廣泛應(yīng)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 引線和4 引線封裝。我們正在開發(fā)一個基于SiC MOSFET 的三相逆變器模塊。最后，我們還提供專為SiC 開關(guān)設(shè)計的非隔離型和電隔離型門極驅(qū)動器，以構(gòu)成全面的解決方案。

圖2 安森美半導(dǎo)體的新的650 V SiC MOSFET

4   結(jié)束語

SiC 器件的快速開關(guān)和更低損耗使其成為高效、集成電機驅(qū)動器的重要解決方案。系統(tǒng)設(shè)計人員可縮小電機驅(qū)動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(dǎo)體提供的用于SiC 電機驅(qū)動器的廣泛且不斷擴增的器件和系統(tǒng)適用于廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年6月期）