碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅(qū)動(dòng)器的能源效率詳解

目前工業(yè)傳動(dòng)通常採(cǎi)用一般所熟知的硅基IGBT反相器（inverter），但最近開(kāi)發(fā)的碳化硅MOSFET元件，為這個(gè)領(lǐng)域另外開(kāi)闢出全新的可能性。

主要的技術(shù)關(guān)鍵推手和應(yīng)用限制

以反相器為基礎(chǔ)的傳動(dòng)應(yīng)用，最常見(jiàn)的拓?fù)渚褪且?個(gè)電源開(kāi)關(guān)連接3個(gè)半橋接電橋臂。

每一個(gè)半橋接電橋臂，都是以歐姆電感性負(fù)載（馬達(dá)）上的硬開(kāi)關(guān)換流運(yùn)作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉(zhuǎn)距。因?yàn)殡姼行载?fù)載的關(guān)係，每次換流都需要6個(gè)反平行二極體執(zhí)行續(xù)流相位。當(dāng)下旁（lower side）飛輪二極體呈現(xiàn)反向恢復(fù)，電流的方向就會(huì)和上旁（upper side）開(kāi)關(guān)相同，反之亦然；因此，開(kāi)啟狀態(tài)的換流就會(huì)電壓過(guò)衝（overshoot），造成額外的功率耗損。這代表在切換時(shí)，二極體的反相恢復(fù)對(duì)功率損失有很大的影響，因此也會(huì)影響整體的能源效率。

跟硅基FWD搭配硅基IGBT的作法相比，碳化硅MOSFET因?yàn)榉聪蚧謴?fù)電流和恢復(fù)時(shí)間的數(shù)值都低很多，因此能大幅減少恢復(fù)耗損以及對(duì)能耗的影響。

圖1和圖2分別為50 A-600 VDC狀況下，碳化硅MOSFET和硅基IGBT在開(kāi)啟狀態(tài)下的換流情形。請(qǐng)看藍(lán)色條紋區(qū)塊，碳化硅MOSFET的反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時(shí)間都減少很多。開(kāi)啟和關(guān)閉期間的換流速度加快可減少開(kāi)關(guān)時(shí)的電源耗損，但開(kāi)關(guān)換流的速度還是有一些限制，因?yàn)榭赡茉斐呻姶鸥蓴_、電壓尖峰和振盪問(wèn)題惡化。

除此之外，影響工業(yè)傳動(dòng)的重要參數(shù)之一，就是反相器輸出的快速換流暫態(tài)造成損害的風(fēng)險(xiǎn)。換流時(shí)電壓變動(dòng)的比率（dv/dt）較高，馬達(dá)線路較長(zhǎng)時(shí)確實(shí)會(huì)增加電壓尖峰，讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴(yán)重，長(zhǎng)久以往可能導(dǎo)致繞組絕緣和馬達(dá)軸承故障。因此為了保障可靠度，一般工業(yè)傳動(dòng)的電壓變動(dòng)率通常在5-10 V/ns。

雖然這個(gè)條件看似會(huì)限制碳化硅MOSFET的實(shí)地應(yīng)用，因?yàn)榭焖贀Q流就是它的主要特色之一，但專為馬達(dá)控制所量身訂做的1200 V 硅基IGBT，其實(shí)可以在這些限制之下展現(xiàn)交換速度。在任何一個(gè)案例當(dāng)中，無(wú)論圖1、圖2、圖3、圖4都顯示，跟硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET元件開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)都保證能減少能源耗損，即使是在5 V/ns的強(qiáng)制條件下。

靜態(tài)與動(dòng)態(tài)效能

以下將比較兩種技術(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特質(zhì)，設(shè)定條件為一般運(yùn)作，接面溫度TJ = 110℃。圖5為兩種元件的輸出靜態(tài)電流電壓特性曲線（V-I curves）。兩相比較可看出無(wú)論何種狀況下碳化硅MOSFET的優(yōu)勢(shì)都大幅領(lǐng)先，因?yàn)樗碾妷撼尸F(xiàn)線性向前下降。

即使碳化硅MOSFET必須要有VGS = 18 V才能達(dá)到很高的RDS（ON），但可保證靜態(tài)效能遠(yuǎn)優(yōu)于硅基IGBT，能大幅減少導(dǎo)電耗損。

兩種元件都已經(jīng)利用雙脈波測(cè)試，從動(dòng)態(tài)的角度加以分析。兩者的比較是以應(yīng)用為基礎(chǔ)，例如600 V匯流排直流電壓，開(kāi)啟和關(guān)閉的dv/dt均設(shè)定為5 V/ns。

圖6為實(shí)驗(yàn)期間所測(cè)得數(shù)據(jù)之摘要。跟硅基IGBT相比，在本實(shí)驗(yàn)分析的電流范圍以內(nèi)，碳化硅MOSFET的開(kāi)啟和關(guān)閉能耗都明顯較低（約減少50%），甚至在5 V/ns的狀況下亦然。

碳化硅MOSFET對(duì)能源成本的經(jīng)濟(jì)影響

當(dāng)工業(yè)應(yīng)用對(duì)能源的需求較高且必須密集使用，能源效率就成了關(guān)鍵因素之一。

為了將模擬的能源耗損數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成能源成本比較概況，必須就年度的負(fù)載設(shè)定檔和能源成本這些會(huì)隨著時(shí)間或地點(diǎn)而有所不同的參數(shù)，設(shè)定一些基本假設(shè)。為達(dá)到簡(jiǎn)化的目的，我們把狀況設(shè)定在只含兩種功率位階（負(fù)載因素100和50%）的基本負(fù)載設(shè)定檔。設(shè)定檔1和設(shè)定檔2的差別，只在于每個(gè)功率位準(zhǔn)持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短。為凸顯能源成本的減少，我們將狀況設(shè)定為持續(xù)運(yùn)作的工業(yè)應(yīng)用。任務(wù)檔案1設(shè)定為每年有60%的時(shí)間處于負(fù)載50%，其他時(shí)間（40%）負(fù)載100%。

對(duì)于每個(gè)任務(wù)檔案全年能源成本的經(jīng)濟(jì)影響，乃以0.14