碳化硅在下一代工业电机驱动器中的作用

作者：安森美半导体工业及云电源公司营销及战略高级经理Ali Husain

国际能源署(IEA)估计，电机功耗占世界总电力的45%以上。因此，找到最大化其运行能效的方法至关重要。能效更高的驱动装置可以更小，并且更靠近电机，从而减少长电缆带来的挑战。从整体成本和持续可靠性的角度来看，这将具有现实意义。宽禁带(WBG)半导体技术的出现将有望在实现新的电机能效和外形尺寸基准方面发挥重要作用。

使用WBG材料如碳化硅(SiC)可制造出性能超越硅(Si)的同类产品。虽然有各种重要的机会使用这项技术，但工业电机驱动正获得最大的兴趣和关注。

SiC的高电子迁移率使其能够支持更快的开关速度。这些更快的开关速度意味着相应的开关损耗也将减少。它的介电击穿场强几乎比硅高一个数量级。这能实现更薄的漂移层，这将转化为更低的导通电阻值。此外，由于SiC的导热系数是Si的三倍，因此在散热方面要高效得多。因此，更容易减小热应力。

传统的高压电机驱动器会采用三相逆变器，其中Si IGBT集成反并联二极管。三个半桥相位驱动逆变器的相应相线圈，以提供正弦电流波形，随后使电机运行。逆变器中浪费的能量将来自两个主要来源-导通损耗和开关损耗。用基于SiC的开关代替Si基开关，可减小这两种损耗。

SiC肖特基势垒二极管不使用反并联硅二极管，可集成到系统中。硅基二极管有反向恢复电流，会造成开关损耗（以及产生电磁干扰，或EMI），而SiC二极管的反向恢复电流可忽略不计。这使得开关损耗可以减少达30%。由于这些二极管产生的EMI要低得多，所以对滤波的需求也不会那么大（导致物料清单更小）。还应注意，反向恢复电流会增加导通时的集电极电流。由于SiC二极管的反向恢复电流要低得多，在此期间通过IGBT的峰值电流将更小，从而提高运行的可靠性水平并延长系统的使用寿命。

因此，如果要提高驱动效率及延长系统的工作寿命时，迁移到SiC肖特基显然是有利的。那么我们何以采取更进一步的方案呢？如果用SiC MOSFET取代负责实际开关功能的IGBT，那么能效的提升将更显著。在相同运行条件下，SiC MOSFET的开关损耗要比硅基IGBT低五倍之多，而导通损耗则可减少一半之多。

WBG方案的其他相关的好处包括大幅节省空间。SiC提供的卓越导热性意味着所需的散热器尺寸将大大减少。使用更小的电机驱动器，工程师可将其直接安装在电机外壳上。这将减少所需的电缆数量。

安森美半导体现在为工程师提供与SiC二极管共同封装的IGBT。此外，我们还有650V、900V和1200V额定值的SiC MOSFET。采用这样的产品，将有可能变革电机驱动，提高能效参数，并使实施更精简。