碳化硅 MOSFET 更是被證實(shí)為硅 IGBT 在太陽能、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電器和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的商業(yè)可行替代品。在這些應(yīng)用中，效率的提升以及濾波器尺寸的減小，足以抵消半導(dǎo)體材料成本的增加。而隨著能源成本的上升，以及關(guān)于電流諧波和二氧化碳排放的監(jiān)管要求日益嚴(yán)格，工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域也開始尋求更高效率的解決方案。與此同時(shí)，大規(guī)模生產(chǎn)的、具備短路能力的碳化硅功率器件的廣泛普及，為碳化硅在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。賽米控丹佛斯通過對(duì)兩種不同類型的器進(jìn)行考察，全面檢驗(yàn)了碳化硅在不同電路位置所展現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢。
現(xiàn)代高性能變頻器通常采用有源前端（AFE），用有源器件取代無源整流器進(jìn)行線路連接，主要出于兩個(gè)重要原因。其一，是為了解決變頻器對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波問題。三相橋式有源器件能夠與電源頻率同步，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)不僅能夠滿足諧波要求（例如美國的 IEEE 519 標(biāo)準(zhǔn)），還能有效提高電網(wǎng)利用率。隨著工業(yè)應(yīng)用的持續(xù)電氣化，這一問題變得愈發(fā)關(guān)鍵。其二，使用 AFE 能夠?qū)⒛芰炕仞伒诫娋W(wǎng)。在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生能量的應(yīng)用場景中，這一特性具有顯著的優(yōu)勢。否則，這些能量必須通過被動(dòng)制動(dòng)電阻來耗散。這類應(yīng)用涵蓋了伺服驅(qū)動(dòng)、起重機(jī)、電梯、自動(dòng)扶梯、下坡輸送機(jī)、測功機(jī)等眾多領(lǐng)域。
簡單的 AFE 通常采用如圖 1 所示的電路。在這類電路中，用碳化硅 MOSFET 替代 IGBT 及對(duì)應(yīng)的續(xù)流，能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)帶來諸多好處。以一個(gè)完整的 20kW（27 馬力）AFE 驅(qū)動(dòng)器為例，其運(yùn)行參數(shù)如下：
| 運(yùn)行參數(shù) | 數(shù)值 |
|---|
| 直流母線電壓（VDC ） | 750V |
| 輸入電壓（Vline） | 400V |
| 輸入電流（Iline） | 30A |
| 功率因數(shù)（PF） | 0.98 |
| 輸入頻率（fline） | 50Hz |
| 開關(guān)頻率（fsw） | 硅（Si）= 5kHz，碳化硅（SiC）= 20kHz |
| 熱阻（Rth (s - a)） | 0.31K/W |
| 環(huán)境溫度（Tamb） | 40°C |
在此次比較中，標(biāo)準(zhǔn)硅 IGBT 采用了一代（第七代）的 1200V/50A IGBT，而選定的碳化硅 MOSFET 功率模塊則使用了 1200V/18mΩ MOSFET。兩種模塊均采用了來自賽米控丹佛斯的 SEMITOP E1 封裝。在模擬過程中，將碳化硅的開關(guān)頻率提高，直至其結(jié)溫與硅器件相同。模擬結(jié)果如下表所示：
| 模塊 | 硅 IGBT | 碳化硅 MOSFET |
|---|
| SK50GD12T7ETE1 | SKS0MD120RM04ETE1 |
| 開關(guān)頻率 | 5kHz | 20kHz（4 倍） |
| AFE 濾波器損耗 | 463W | 291W |
| 轉(zhuǎn)換器損耗 | 247W | 175W（ - 34%） |
| 總損耗 | 710W | 466W（ - 34%） |
| LCL 濾波器體積 | 8225cm3 | 2448cm3（ - 70%） |
| LCL 濾波器重量 | 19.4kg | 10.2kg（ - 47%） |
從表 1 的模擬結(jié)果可以看出，即使在四倍的載波頻率下，碳化硅器件在每個(gè)三相電路中仍能實(shí)現(xiàn) 34% 的總損耗降低。此外，更高的開關(guān)頻率對(duì) LCL 濾波器的尺寸產(chǎn)生了直接影響，所需的電感和電容顯著減少。電感器的總重量幾乎減半，而總體積減少了 70%。盡管碳化硅功率模塊的成本高于硅器件，但從系統(tǒng)的總擁有成本角度來看，碳化硅帶來的優(yōu)勢十分明顯。更小的驅(qū)動(dòng)器體積和重量，不僅減少了運(yùn)輸、包裝和存儲(chǔ)空間，還使安裝更加便捷，同時(shí)降低了功率損耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和成本降低，并且減少了冷卻需求。當(dāng)從更廣泛的角度審視時(shí)，碳化硅（SiC）帶來的巨大好處不僅能夠彌補(bǔ)組件成本，還能在 AFE 應(yīng)用的整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)提供實(shí)質(zhì)性的成本效益。
在驅(qū)動(dòng)器的逆變器側(cè)，連接到電機(jī)的部分，應(yīng)用碳化硅器件面臨著更多的挑戰(zhàn)。與 AFE 示例相比，這里需要考慮一些限制和關(guān)鍵要求。逆變器必須具備承受短路的能力，同時(shí) dv/dt 必須得到限制（例如，<5kV/μs），以避免對(duì)電機(jī)造成損壞。此外，開關(guān)頻率也受到限制，以確保驅(qū)動(dòng)損耗在可接受的水平，并避免在屏蔽電機(jī)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(gè)備受關(guān)注的關(guān)鍵問題。然而，隨著一代產(chǎn)品的問世，現(xiàn)有的碳化硅器件已經(jīng)能夠處理幾微秒的短路，使其成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可行選擇。
從圖 2 的原理圖可以看出，在這種應(yīng)用中，無法通過提高開關(guān)頻率來減少磁性元件的設(shè)計(jì)。盡管如此，碳化硅仍然具有一定的優(yōu)勢。以一個(gè)典型的 15kW（20HP）電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，其參數(shù)如下，這些參數(shù)通常在可變扭矩應(yīng)用中較為常見：
| 運(yùn)行參數(shù) | 數(shù)值 |
|---|
| 直流母線電壓 | 560V |
| 輸出電壓 | 355V |
| 輸出電流 | 264A |
| 過載能力 | 1 分鐘 |
| 功率因數(shù)（PF） | 0.98（永磁電機(jī)） |
| 輸入頻率（fline） | 50Hz |
| 開關(guān)頻率（fsw） | 硅（Si）/ 碳化硅（SiC）= 5kHz（dv/dt 限制在 5kV/μs） |
| 熱阻（Rth (s - a)） | 0.31K/W |
| 環(huán)境溫度（Tamb） | 50°C |
用于比較的標(biāo)準(zhǔn)硅 IGBT 功率模塊采用了一代（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，這是來自 ROHM Semiconductor 的第四代產(chǎn)品，具有 2μs 的短路能力（VG = 18V，Tj = 150°C，VDC = 720V）。對(duì)于這兩個(gè)示例模塊，選擇外部柵極電阻將 dv/dt 限制在 5kV/μs。
這項(xiàng)應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)一個(gè)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，而這個(gè)運(yùn)行區(qū)域恰好對(duì)應(yīng)于碳化硅 MOSFET 導(dǎo)通損耗較低的電流范圍。
相比于硅 IGBT，MOSFET 在開關(guān)損耗方面具有四倍的優(yōu)勢，這是因?yàn)樘蓟杈哂懈偷拈_關(guān)損耗。當(dāng) MOSFET 的 dv/dt 降低到 5kV/μs 時(shí)，與 IGBT 解決方案相比，在開關(guān)損耗方面的優(yōu)勢有所減小。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。
這些圖表展示了整個(gè) 15kW 驅(qū)動(dòng)器（包括二極管前端、直流母線、逆變器）的損耗和效率，分別對(duì)應(yīng)硅 IGBT（灰色）和碳化硅 MOSFET（紅色）。
結(jié)果顯示，在整個(gè)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(shí)，碳化硅裝備的驅(qū)動(dòng)器比硅版本的損耗低 7%，在全速時(shí)損耗低 22%。這相當(dāng)于在低速時(shí)總效率提高了 0.6%，在高速時(shí)提高了 0.5%。這些數(shù)值可以通過查看驅(qū)動(dòng)器在不同操作速度下的時(shí)間分布，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(dòng)器的典型應(yīng)用。如果計(jì)算每個(gè)負(fù)載點(diǎn)的損耗，就可以為每種驅(qū)動(dòng)器計(jì)算出一年內(nèi)的總能耗。
一年內(nèi)，配備碳化硅的驅(qū)動(dòng)器僅消耗了 377 千瓦時(shí)的累計(jì)能源支出，而配備硅（Si）的驅(qū)動(dòng)器則消耗了 651 千瓦時(shí)。這種能源消耗減少 42% 具有實(shí)際的環(huán)境和財(cái)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 年混合標(biāo)準(zhǔn)）。在像德國這樣的國家（2023 年電價(jià)為 0.20 歐元 / 千瓦時(shí)），配備碳化硅的驅(qū)動(dòng)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。
，使用碳化硅還具有物理上的優(yōu)勢。由于碳化硅具有較低的半導(dǎo)體功率損耗，在相同溫升的情況下，可以將散熱器體積減少多達(dá) 71%。對(duì)于工業(yè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)框架尺寸的輸出功率可以增加多達(dá) 25%。
為了滿足驅(qū)動(dòng)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。SEMITOP E、MiniSKiiP 和 SEMITRANS Classic 都配備了來自 ROHM 的第四代碳化硅 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(dòng)。
