今天碳化硅器件已經(jīng)在多種應(yīng)用中取得商業(yè)的成功。碳化硅MOSFET已被證明是硅IGBT在太陽能、儲能系統(tǒng)、電動汽車充電器和電動汽車等領(lǐng)域的商業(yè)可行替代品。這些應(yīng)用中效率提升和濾波器尺寸減小抵消了半導(dǎo)體材料成本的增加。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動一直以來以低成本、堅(jiān)固耐用的功率半導(dǎo)體需求為主導(dǎo)，不太關(guān)注器件級效率。如今，全球能源成本上升以及關(guān)于電流諧波和二氧化碳排放的監(jiān)管要求，促使設(shè)計(jì)人員尋找更高效率的解決方案。與此同時，大規(guī)模生產(chǎn)的、具有短路能力的碳化硅功率器件的普及意味著碳化硅在電機(jī)驅(qū)動中有了用武之地。賽米控丹佛斯通過考察兩種不同類型的變頻器，可以在不同的電路位置檢驗(yàn)碳化硅的技術(shù)優(yōu)勢。

線側(cè)（低諧波/再生驅(qū)動）現(xiàn)代高性能變頻器通常采用有源前端（AFE），用有源器件代替無源整流器進(jìn)行線路連接。這樣做的原因主要有兩個。一是解決變頻器對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波問題。三相橋式有源器件可以與電源頻率同步，從電源中吸取接近單位功率因數(shù)的正弦波電流。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持滿足諧波要求（例如美國的IEEE 519標(biāo)準(zhǔn)），同時也能提高電網(wǎng)利用率。隨著工業(yè)應(yīng)用的持續(xù)電氣化，這一話題變得越來越重要。使用AFE的另一個原因是能夠?qū)⒛芰炕仞伒诫娋W(wǎng)。在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生能量的應(yīng)用中，這非常有益，否則這些能量必須使用被動制動電阻來耗散。這些應(yīng)用包括伺服驅(qū)動、起重機(jī)、電梯、自動扶梯、下坡輸送機(jī)、測功機(jī)等許多其他應(yīng)用。

圖1：典型的有源前端應(yīng)用拓?fù)?/p>

最簡單的AFE通常使用圖1所示的電路。對于此類電路，用碳化硅MOSFET替代IGBT及對應(yīng)的續(xù)流二極管可以為整個系統(tǒng)帶來多重好處。

一個完整的20kW（27馬力）AFE驅(qū)動器，其運(yùn)行參數(shù)如下：

對于這次比較，標(biāo)準(zhǔn)硅IGBT功率模塊使用了最新一代（第七代）的1200V/50A IGBT，而選定的碳化硅MOSFET功率模塊使用了1200V/18mΩ MOSFET。兩種模塊都使用了來自賽米控丹佛斯的SEMITOP E1封裝。在這次模擬中，碳化硅的開關(guān)頻率被提高，直到其結(jié)溫與硅器件相同。

表1：模擬的AFE應(yīng)用比較

即使在四倍的載波頻率下，碳化硅器件在每個三相電路中表現(xiàn)出34%的總損耗降低。此外，對LCL濾波器的尺寸有直接影響。更高的開關(guān)頻率減少了所需的電感和電容。電感器的總重量幾乎減半，而總體積減少了70%。雖然碳化硅功率模塊的成本高于硅器件，但必須考慮系統(tǒng)的總擁有成本：

更小的驅(qū)動器體積和重量：

減少運(yùn)輸、包裝和存儲空間

更容易安裝

更小的面板和安裝空間

降低功率損耗

節(jié)能和成本降低

降低冷卻需求

當(dāng)從更廣泛的角度審視時，碳化硅（SiC）帶來的巨大好處不僅彌補(bǔ)了組件成本，而且在AFE應(yīng)用中，它們還提供了整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的實(shí)質(zhì)性成本效益。

逆變器側(cè)（傳統(tǒng)驅(qū)動器）

驅(qū)動器的逆變器側(cè)，連接到電機(jī)，對應(yīng)用碳化硅器件有更多挑戰(zhàn)。與AFE示例相比，這里必須考慮一些限制和關(guān)鍵要求：

逆變器必須能夠承受短路

dv/dt必須限制（例如，<5kV/μs）以避免對電機(jī)造成損壞

開關(guān)頻率受到限制，以保持驅(qū)動損耗在一個可接受的水平，并避免在屏蔽電機(jī)電纜中產(chǎn)生過大的漏電流

碳化硅MOSFET的短路能力長期以來一直是一個關(guān)鍵話題。然而，隨著最新一代產(chǎn)品的到來，現(xiàn)有的碳化硅器件能夠處理幾微秒的短路，使它們成為電機(jī)驅(qū)動的可行選項(xiàng)。

圖2：帶被動整流器的電機(jī)驅(qū)動

從圖2的原理圖可以看出，沒有通過提高開關(guān)頻率來減少的磁性元件的設(shè)計(jì)。盡管如此，在這種應(yīng)用中碳化硅仍然具備優(yōu)勢。我們可以通過一個典型的15kW（20HP）電機(jī)驅(qū)動來說明。其參數(shù)如下，這些參數(shù)通常在可變扭矩應(yīng)用中找到：

用于比較的標(biāo)準(zhǔn)硅IGBT功率模塊采用了最新一代（第七代）1200V/35A IGBT，封裝形式為SEMITOP E2。所選的碳化硅MOSFET功率模塊使用了1200V/18mΩ MOSFET。這種MOSFET是來自ROHM Semiconductor的最新第四代產(chǎn)品，具有2μs的短路能力（VG=18V，Tj=150°C，VDC=720V），當(dāng)在賽米控丹佛斯功率模塊中使用時。對于這兩個示例模塊，選擇外部柵極電阻限制dv/dt在5kV/μs。

這項(xiàng)應(yīng)用是驅(qū)動一個具有二次方轉(zhuǎn)矩特性的離心泵，如圖3所示。泵實(shí)際上主要在40%到80%的速度范圍內(nèi)運(yùn)行。這個運(yùn)行區(qū)域?qū)?yīng)于碳化硅MOSFET具有較低導(dǎo)通損耗的電流范圍。

相比于硅IGBT，MOSFET在開關(guān)損耗方面有四倍的優(yōu)勢，因?yàn)樘蓟杈哂懈偷拈_關(guān)損耗。當(dāng)MOSFET降低到5kV/μs時，與IGBT解決方案相比，在開關(guān)損耗方面的優(yōu)勢很小。然而，由于其線性的正向特性，MOSFET表現(xiàn)出更低的導(dǎo)通損耗。

圖3：離心泵扭矩與轉(zhuǎn)速特性

這些圖表展示了整個15kW驅(qū)動器（包括二極管前端、直流母線電容器、逆變器）的損耗和效率，分別對應(yīng)硅IGBT（灰色）和碳化硅MOSFET（紅色）。

圖4：15kW驅(qū)動器的損耗和效率

結(jié)果顯示，在整個適用的速度范圍內(nèi)，碳化硅在損耗方面具有明顯優(yōu)勢。在低速時，碳化硅裝備的驅(qū)動器比硅版本的損耗低7%，在全速時損耗低22%。這相當(dāng)于在低速時總效率提高了0.6%，在高速時提高了0.5%。這些值可以通過查看驅(qū)動器在不同操作速度下的時間分布來轉(zhuǎn)化為實(shí)際的年度能耗節(jié)省。圖5中的年度負(fù)載估計(jì)基于工業(yè)泵驅(qū)動器的典型應(yīng)用。如果計(jì)算每個負(fù)載點(diǎn)的損耗，就可以為每種驅(qū)動器計(jì)算出一年內(nèi)的總能耗。

圖5：泵驅(qū)動器的年度平均負(fù)載分布

一年內(nèi)，配備碳化硅的驅(qū)動器僅消耗了377千瓦時的累計(jì)能源支出，而配備硅（Si）的驅(qū)動器則消耗了651千瓦時。這種能源消耗減少42%具有實(shí)際的環(huán)境和財務(wù)影響。溫室氣體排放每年減少125公斤二氧化碳（根據(jù)2023年全球混合標(biāo)準(zhǔn)）。在像德國這樣的國家（2023年電價為0.20歐元/千瓦時），配備碳化硅的驅(qū)動器增加的成本在一年內(nèi)就能得到補(bǔ)償；或者在美國這樣電費(fèi)顯著較低的國家，不到三年就能收回成本。

最后，使用碳化硅還有物理上的優(yōu)勢，因?yàn)槭褂锰蓟杩梢允挂欢üβ实燃壍尿?qū)動器變得更小。進(jìn)一步的模擬表明，碳化硅的較低半導(dǎo)體功率損耗允許在相同溫升的情況下將散熱器體積減少多達(dá)71%。對于工業(yè)驅(qū)動器來說，這意味著可以減少氣流和冷卻風(fēng)扇的數(shù)量。此外，安裝驅(qū)動器的面板和機(jī)柜可以更小更輕，從而減少材料、物流和安裝成本。相反，如果保持相同的熱設(shè)計(jì)，給定電機(jī)驅(qū)動框架尺寸的輸出功率可以增加多達(dá)25%。

碳化硅功率模塊

為了滿足驅(qū)動制造商的需求，賽米控丹佛斯提供了常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和封裝形式的碳化硅功率模塊（見上圖）。SEMITOP E、MiniSKiiP和SEMITRANS Classic都配備了來自ROHM的最新第四代碳化硅MOSFET，具有短路能力和單極性柵極控制功能。這些器件與現(xiàn)有的硅器件引腳兼容，并配備了高性能的預(yù)涂覆熱界面材料。為了獲得最高的功率循環(huán)可靠性，MiniSKiiP封裝中提供了燒結(jié)芯片，這些改進(jìn)使得碳化硅能夠在具有嚴(yán)重過載峰值的應(yīng)用中使用，如伺服或機(jī)器人驅(qū)動。

結(jié)論：格局打開--碳化硅模塊在電機(jī)驅(qū)動上大有可為

這兩個示例只是展示了驅(qū)動制造商和最終用戶在切換到碳化硅時所獲得的新優(yōu)勢的一小部分，碳化硅器件的優(yōu)勢在電機(jī)驅(qū)動的應(yīng)用還大有可為。對于特殊驅(qū)動應(yīng)用，如用于渦輪壓縮機(jī)的高速電機(jī)，碳化硅器件可以帶來的好處更多。這些情況通常不受這里提到的dv/dt和開關(guān)頻率的限制。