SiC MOSFET用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)在哪里

在我們的傳統(tǒng)印象中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往采用IGBT作為開關(guān)器件，而SiC MOSFET作為高速器件往往與光伏和電動(dòng)汽車充電等需要高頻變換的應(yīng)用相關(guān)聯(lián)。但在特定的電機(jī)應(yīng)用中，SiC仍然具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，他們是：

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低電感電機(jī)

低電感電機(jī)有許多不同應(yīng)用，包括大氣隙電機(jī)、無槽電機(jī)和低泄露感應(yīng)電機(jī)。它們也可被用在使用PCB定子而非繞組定子的新電機(jī)類型中。這些電機(jī)需要高開關(guān)頻率（50-100kHz）來維持所需的紋波電流。然而，對(duì)于50kHz以上的調(diào)制頻率使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）無法滿足這些需求，如果是380V系統(tǒng)，硅MOSFET耐壓又不夠，這就為寬禁帶器件開創(chuàng)了新的機(jī)會(huì)。

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高速電機(jī)

由于擁有高基波頻率，這些電機(jī)也需要高開關(guān)頻率。它們適用于高功率密度電動(dòng)汽車、高極數(shù)電機(jī)、擁有高扭矩密度的高速電機(jī)以及兆瓦級(jí)高速電機(jī)等應(yīng)用。同樣，IGBT能夠達(dá)到的最高開關(guān)頻率受到限制，而通過使用寬禁帶開關(guān)器件可能能夠突破這些限制。例如燃料電池中的空壓機(jī)?？諌簷C(jī)最高轉(zhuǎn)速超過15萬rpm，空壓機(jī)電機(jī)控制器的輸出頻率超過2500Hz，功率器件需要很高的開關(guān)頻率（超過50kHz），因此SiC-MOSFET是這類應(yīng)用的首選器件。

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惡劣工況

在電機(jī)控制逆變器中使用寬禁帶器件有兩個(gè)引人關(guān)注的益處。第一，它們產(chǎn)生的熱量比硅器件少，降低了散熱需求。第二，它們能承受更高工作溫度——SiC：600°C，GaN：300°C，而硅芯片能承受的最高工作溫度僅為200°C。雖然SiC產(chǎn)品目前存在一些與封裝有關(guān)的問題，導(dǎo)致它們所適用的工作溫度不能超過200°C，但專注于解決這些問題的研究正在進(jìn)行中。因此，寬禁帶器件更適合可能面臨惡劣工況的電機(jī)應(yīng)用，比如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）中的集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、海底和井下應(yīng)用、空間應(yīng)用等

傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，往往使用IGBT作為開關(guān)器件。那么，SiC MOSFET相對(duì)于Si IGBT有哪些優(yōu)勢(shì)，使得它更適合電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用？

首先，從開關(guān)特性角度看，功率器件開關(guān)損耗分為開通損耗和關(guān)斷損耗。

關(guān)斷損耗

IGBT是雙極性器件，導(dǎo)通時(shí)電子和空穴共同參與導(dǎo)電，但關(guān)斷時(shí)由于空穴，只能通過復(fù)合逐漸消失，從而產(chǎn)生拖尾電流，拖尾電流是造成IGBT關(guān)斷損耗的大的主要原因。SiC MOSFET是單極性器件，只有電子參與導(dǎo)電，關(guān)斷時(shí)沒有拖尾電流使得SiC MOSFET關(guān)斷損耗大大低于IGBT。

開通損耗

IGBT開通瞬間電流往往會(huì)有過沖，這是反并聯(lián)二極管換流時(shí)產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流。反向恢復(fù)電流疊加在IGBT開通電流上，增加了器件的開通損耗。IGBT的反并聯(lián)二極管往往是Si PiN二極管，反向恢復(fù)電流比較明顯。而SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)里天然集成了一個(gè)體二極管，無需額外并聯(lián)二極管。SiC體二極管參與換流，它的反向恢復(fù)電流要遠(yuǎn)低于IGBT反并聯(lián)的硅PiN二極管，因此，即使在同樣的dv/dt條件下，SiC MOSFET的開通損耗也低于IGBT。另外，SiC MOSFET可以使得伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)集成在一起，從而摒除線纜上dv/dt的限制，高dV/dt條件下，SiC的開關(guān)損耗會(huì)進(jìn)一步降低，遠(yuǎn)低于IGBT。即使是開關(guān)過程較慢時(shí)，碳化硅的開關(guān)損耗也優(yōu)于IGBT。

此外，SiC MOSFET的開關(guān)損耗基本不受溫度影響，而IGBT的開關(guān)損耗隨溫度上升而明顯增加。因此高溫下SiC MOSFET的損耗更具優(yōu)勢(shì)。

再考慮dv/dt的限制，相同dv/dt條件下，高溫下SiC MOSFET總開關(guān)損耗會(huì)有50%~60%的降低，如果不限制dv/dt，SiC開關(guān)總損耗最高降低90%。

從導(dǎo)通特性角度看：

SiC MOSFET導(dǎo)通時(shí)沒有拐點(diǎn)，很小的VDS電壓就能讓SiC MOSFET導(dǎo)通，因此在小電流條件下，SiC MOSFET的導(dǎo)通電壓遠(yuǎn)小于IGBT。大電流時(shí)IGBT導(dǎo)通損耗更低，這是由于隨著器件壓降上升，雙極性器件IGBT開始導(dǎo)通，由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，電子注入激發(fā)更多的空穴，電流迅速上升，輸出特性的斜率更陡。對(duì)應(yīng)電機(jī)工況，在輕載條件下，SiC MOSFET具有更低的導(dǎo)通損耗。重載或加速條件下，SiC MOSFET導(dǎo)通損耗的優(yōu)勢(shì)會(huì)有所降低。

CoolSiC MOSFET在各種工況下導(dǎo)通損耗降低，

下面通過一個(gè)實(shí)例研究，實(shí)際驗(yàn)證SiC MOSFET在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的優(yōu)勢(shì)。

假定以下工況，對(duì)比三款器件：

IGBT IKW40N120H3，

SiC MOSFET IMW120R060M1H和IMW120R030M1H。

測(cè)試條件

Vdc=600V, VN,out=400V, IN,out=5A–25A,

fN,sin-out=50Hz, fsw=4-16kHz, Tamb=25°C,

cos(φ)N=0.9, Rth,HA=0.63K/W, dv/dt=5V/ns

M=1,Vdc=600V, fsin=50Hz, RG@dv/dt=5V/ns, fsw=8kHz，線纜長度5m, Tamb=25°C

可以看出，基于以上工況，同樣的溫度條件下，30mohm的器件輸出電流比40A IGBT提高了10A，哪怕?lián)Q成小一檔的60mohm SiC MOSFET，輸出電流也能提升約5A。而相同電流條件下，SiC MOSFT的溫度明顯降低。

綜上所述，SiC開關(guān)器件能為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶來的益處總結(jié)如下：

更低損耗?降低耗電量，讓人們的生活更加環(huán)保、可持續(xù)。

性能卓越?實(shí)現(xiàn)更高功率密度，通過以更小的器件達(dá)到相同性能，來實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的電機(jī)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)緊湊?實(shí)現(xiàn)更緊湊、更省空間的電機(jī)設(shè)計(jì)，減少材料消耗，降低散熱需求。

更高質(zhì)量?SiC逆變器擁有更長使用壽命，且不易出故障，使得制造商能夠提供更長的保修期。

最后，英飛凌CoolSiC能保證單管3us,Easy模塊2us的短路能力，進(jìn)一步保證系統(tǒng)的安全性與可靠性。