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使用碳化硅 MOSFET 提升工业驱动器的能源效率

摘要

由于电动马达佔工业大部分的耗电量,工业传动的能源效率成为一大关键挑战。因此,半导体製造商必须花费大量心神,来强化转换器阶段所使用功率元件之效能。意法半导体(ST)最新的碳化硅金属氧化物半导体场效电晶体(SiC MOSFET)技术,为电力切换领域立下全新的效能标准。

本文将强调出无论就能源效率、散热片尺寸或节省成本方面来看,工业传动不用硅基(Si)绝缘栅双极电晶体(IGBT)而改用碳化硅MOSFET有哪些优点。

1.导言

目前工业传动通常採用一般所熟知的硅基IGBT反相器(inverter),但最近开发的碳化硅MOSFET元件,为这个领域另外开闢出全新的可能性。

意法半导体的碳化硅MOSFET技术,不但每单位面积的导通电阻非常之低,切换效能绝佳,而且跟传统的硅基续流二极体(FWD)相比,内接二极体关闭时的反向恢复能量仍在可忽略范围内。

考量到帮浦、风扇和伺服驱动等工业传动都必须持续运转,利用碳化硅MOSFET便有可能提升能源效率,并大幅降低能耗。

本文将比较1200 V碳化硅MOSFET和Si IGBT的主要特色,两者皆採ACEPACK?封装,请见表1。

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表1:元件分析

本文将利用意法半导体的PowerStudio软体,将双脉波测试的实验数据和统计测量结果套用在模拟当中。模拟20kW的工业传动,并评估每个解决方案每年所耗电力,还有冷却系统的要求。

2.主要的技术关键推手和应用限制

以反相器为基础的传动应用,最常见的拓扑就是以6个电源开关连接3个半桥接电桥臂。

每一个半桥接电桥臂,都是以欧姆电感性负载(马达)上的硬开关换流运作,藉此控制它的速度、位置或电磁转距。因为电感性负载的关係,每次换流都需要6个反平行二极体执行续流相位。当下旁(lower side)飞轮二极体呈现反向恢复,电流的方向就会和上旁(upper side)开关相同,反之亦然;因此,开启状态的换流就会电压过衝(overshoot),造成额外的功率耗损。这代表在切换时,二极体的反相恢复对功率损失有很大的影响,因此也会影响整体的能源效率。

跟硅基FWD搭配硅基IGBT的作法相比,碳化硅MOSFET因为反向恢复电流和恢复时间的数值都低很多,因此能大幅减少恢复耗损以及对能耗的影响。

图1和图2分别为50 A-600 VDC状况下,碳化硅MOSFET和硅基IGBT在开启状态下的换流情形。请看蓝色条纹区块,碳化硅MOSFET的反向恢复电流和反向恢复时间都减少很多。开启和关闭期间的换流速度加快可减少开关时的电源耗损,但开关换流的速度还是有一些限制,因为可能造成电磁干扰、电压尖峰和振盪问题恶化。

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图1:开启状态的碳化硅MOSFET

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图2:开启状态的硅基IGBT

除此之外,影响工业传动的重要参数之一,就是反相器输出的快速换流暂态造成损害的风险。换流时电压变动的比率(dv/dt)较高,马达线路较长时确实会增加电压尖峰,让共模和微分模式的寄生电流更加严重,长久以往可能导致绕组绝缘和马达轴承故障。因此为了保障可靠度,一般工业传动的电压变动率通常在5-10 V/ns。虽然这个条件看似会限制碳化硅MOSFET的实地应用,因为快速换流就是它的主要特色之一,但专为马达控制所量身订做的1200 V 硅基IGBT,其实可以在这些限制之下展现交换速度。在任何一个案例当中,无论图1、图2、图3、图4都显示,跟硅基IGBT相比,碳化硅MOSFET元件开启或关闭时都保证能减少能源耗损,即使是在5 V/ns的强制条件下。

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图3:关闭状态的硅基MOSFET

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图4:关闭状态的硅基IGBT

3.静态与动态效能

以下将比较两种技术的静态和动态特质,设定条件为一般运作,接面温度TJ = 110 °C。

图5为两种元件的输出静态电流电压特性曲线(V-I curves)。两相比较可看出无论何种状况下碳化硅MOSFET的优势都大幅领先,因为它的电压呈现线性向前下降。

即使碳化硅MOSFET必须要有VGS  = 18 V才能达到很高的RDS(ON),但可保证静态效能远优于硅基IGBT,能大幅减少导电耗损。

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图5:比较动态特质

两种元件都已经利用双脉波测试,从动态的角度加以分析。两者的比较是以应用为基础,例如600 V汇流排直流电压,开启和关闭的dv/dt均设定为5 V/ns。

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