今天碳化硅器件已經(jīng)在多種應(yīng)用中取得商業(yè)的成功。碳化硅MOSFET已被證明是硅IGBT在太陽(yáng)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。這些應(yīng)用中效率提升和濾波器尺寸減小抵消了半導(dǎo)體材料成本的增加。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一直以來以低成本、堅(jiān)固耐用的功率半導(dǎo)體需求為主導(dǎo)，不太關(guān)注器件級(jí)效率。如今，全球能源成本上升以及關(guān)于電流諧波和二氧化碳排放的監(jiān)管要求，促使設(shè)計(jì)人員尋找更高效率的解決方案。與此同時(shí)，大規(guī)模生產(chǎn)的、具有短路能力的碳化硅功率器件的普及意味著碳化硅在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中有了用武之地。賽米控丹佛斯通過考察兩種不同類型的變頻器，可以在不同的電路位置檢驗(yàn)碳化硅的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
最簡(jiǎn)單的AFE通常使用圖1所示的電路。對(duì)于此類電路，用碳化硅 MOSFET替代IGBT及對(duì)應(yīng)的續(xù)流二極管可以為整個(gè)系統(tǒng)帶來多重好處。
一個(gè)完整的20kW（27馬力）AFE驅(qū)動(dòng)器，其運(yùn)行參數(shù)如下：
碳化硅MOSFET的短路能力長(zhǎng)期以來一直是一個(gè)關(guān)鍵話題。然而，隨著最新一代產(chǎn)品的到來，現(xiàn)有的碳化硅器件能夠處理幾微秒的短路，使它們成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可行選項(xiàng)。
用于比較的標(biāo)準(zhǔn)硅IGBT功率模塊采用了最新一代（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。這種MOSFET是來自ROHM Semiconductor的最新第四代產(chǎn)品，具有2μs的短路能力（VG=18V，Tj=150°C，VDC=720V），當(dāng)在賽米控丹佛斯功率模塊中使用時(shí)。對(duì)于這兩個(gè)示例模塊，選擇外部柵極電阻限制dv/dt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。這個(gè)運(yùn)行區(qū)域?qū)?yīng)于碳化硅MOSFET具有較低導(dǎo)通損耗的電流范圍。
相比于硅IGBT，MOSFET在開關(guān)損耗方面有四倍的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樘蓟杈哂懈偷拈_關(guān)損耗。當(dāng)MOSFET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(shì)很小。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、直流母線電容器、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(shì)。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)間分布來轉(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年全球混合標(biāo)準(zhǔn)）。在像德國(guó)這樣的國(guó)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(guó)這樣電費(fèi)顯著較低的國(guó)家，不到三年就能收回成本。
最后，使用碳化硅還有物理上的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槭褂锰蓟杩梢允挂欢üβ实燃?jí)的驅(qū)動(dòng)器變得更小。進(jìn)一步的模擬表明，碳化硅的較低半導(dǎo)體功率損耗允許在相同溫升的情況下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（見上圖）。SEMITOP E、MiniSKiiP和SEMITRANS Classic都配備了來自ROHM的最新第四代碳化硅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。為了獲得最高的功率循環(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)。
這兩個(gè)示例只是展示了驅(qū)動(dòng)制造商和最終用戶在切換到碳化硅時(shí)所獲得的新優(yōu)勢(shì)的一小部分，碳化硅器件的優(yōu)勢(shì)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用還大有可為。對(duì)于特殊驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，如用于渦輪壓縮機(jī)的高速電機(jī)，碳化硅器件可以帶來的好處更多。這些情況通常不受這里提到的dv/dt和開關(guān)頻率的限制。
共0條 [查看全部] 網(wǎng)友評(píng)論