SiC MOSFET提高工業驅動能源效率

作者 : Stefano Lovati,Power Electronics News

在工業電源應用中,設計人員可以使用SiC MOSFET獲得巨大優勢:相較於IGBT等傳統矽基解決方案,SiC MOSFET具有顯著提升的效率、更小的散熱片尺寸以及更低的成本...

工業電源應用主要以強大的電動馬達為基礎,經常可見於風扇、泵、伺服驅動器、壓縮機、縫紉機和冰箱等應用中。三相馬達是最常見的馬達類型,它由基於逆變器的驅動器驅動,能夠滿足一個產業約60%的整體電力需求,因此對於驅動器提供高效率至關重要。

在工業電源應用中,電子設計人員可以使用碳化矽金屬氧化物半導體場效電晶體(SiC MOSFET)獲得巨大優勢:相較於傳統的矽基解決方案,例如絕緣閘雙極電晶體(IGBT),SiCMOSFET具有顯著提升的效率、更小的散熱片尺寸以及更低的成本。在體二極體關斷之後發生的反向恢復階段,碳化矽(SiC)技術可以獲得非常低的每單位面積導通阻抗(RDS(on))、高開關頻率以及可忽略不計的能量損耗。

基於逆變器的驅動器

最常見的三相逆變器驅動電路如1所示。這種廣泛用於工業級的拓撲以兩級三相逆變器為基礎,取決於實際的功率要求,它主要使用離散式或功率模組IGBT,外加續流二極體。六個功率電晶體連接在三個半橋臂,為電力機制或其他負載產生三相交流電(AC)。為了能夠控制其速度、位置和電磁轉矩,每個半橋都被迫以特定頻率在歐姆電感負載(馬達)切換。IGBT電晶體是少數具有高輸入阻抗和大雙極載流能力的載流子元件。在馬達控制應用中,由於電感負載特性,通常需要添加反並聯或續流二極體,以獲得功能齊全的開關,儘管在某些特殊情況下並不需要續流二極體。

續流二極體與功率電晶體並聯放置,連接在集電極端子和發射極端子之間,以傳導反向電流。這些二極體是必需的,因為在切斷感應負載電流期間,如果沒有提供合適的路徑,就會產生高電壓峰值。這會反過來破壞電源開關。由於其特殊的結構,IGBT電晶體並不像MOSFET那樣具有寄生二極體。續流二極體能以單晶片整合,也可以作為離散式二極體添加至IGBT電晶體封裝之外。

two level 3-phase inverter-based drive

圖1:基於兩級三相逆變器的驅動器。(資料來源:ST)

當較低側的續流二極體反向恢復時,其電流方向與上側開關相同,反之亦然;因此,過衝發生在導通換向時,因為這會產生額外的功率損耗,從而影響整體效率。相較於以矽基IGBT共封裝的續流二極體,由於SiC MOSFET的反向恢復電流和反向時間大大降低,使其明顯減少了恢復損耗,效率隨之顯著提高。

開啟/關閉換向要求

在工業驅動器中,必須特別注意開關的換向速度。事實上,SiC MOSFET的電壓上升(速)率(dV/dt)可以達到高於IGBT的程度。如果處理不當,高換向dV/dt會增加長馬達電纜上的電壓尖峰,並可能產生共模和差模寄生電流,隨著時間的推移,它會導致繞組絕緣和馬達軸承出現故障。儘管更快的開/關速度提高了效率,但由於前面提到的可靠性原因,工業驅動器中典型的dV/dt通常設置為5~10V/ns。

意法半導體(ST)針對兩款類似的1.2kV功率電晶體進行比較——SiC MOSFET和矽基IGBT,證明相較於Si IGBT,SiC MOSFET元件即使是在5V/ns的強加條件下也能確保更少的開啟和關閉能量損耗。

靜態和動態特性

由於使用相同類型的電晶體,ST進行的分析也可以比較其於靜態和動態操作時的特性(或電壓-電流)曲線。在接面溫度為TJ=125℃時,得到如2所示的靜態特性曲線。從這兩條曲線的比較來看,SiC解決方案提供的顯著優勢體現在整個電壓和電流範圍內,這主要歸功於其線性正向電壓降。相反地,IGBT電晶體表現出非線性電壓降(VCE(sat)),其本身取決於集電極電流。

在電流約40安培(A)時達到盈虧平衡點:低於此值,SiC MOSFET的傳導損耗低於IGBT。這是因為SiC MOSFET的線性靜態特性利用了靜態損耗。而且,即使SiC MOSFET需要VGS=18V才能實現優異的RDS(ON),它也可以提供比矽基IGBT更好的靜態性能,從而顯著降低傳導損耗。

SiC and IGBT MOSFETs V-I curve comparison

圖2:SiC MOSFET和IGBT MOSFET的V-I曲線比較。(資料來源:ST)

利用雙脈衝測試,從動態角度針對兩種元件進行分析。此特定測試的目的是在開啟和關閉條件下提供動態損耗測量。根據所取得的結果顯示,即使是在5V/ns條件下,SiC MOSFET在整個分析的電流範圍內顯示出較低(約-50%)的開啟與關斷能量。在50V/ns時,SiC MOSFET可進一步降低損耗。而IGBT無法達到如此高的換向速度。

電熱模擬

為了比較SiC MOSFET和Si IGBT在典型工業驅動應用的性能,電熱模擬是個不錯的選擇。至於ST的分析,該模擬操作採用該公司的專有軟體工具PowerStudio進行,提供全面的功率和熱分析,能夠預測裝置的性能、縮短解決方案設計階段,同時節省時間和資源。此外,該工具有助於選擇搭配應用任務配置的適合元件。ST PowerStudio基於一個非常精確的內建電氣和熱模型,針對每個元件考慮到自加熱效應的反覆計算,因而提供了高度準確的功率損耗、接面和外殼溫度的估計。

採用PowerStudio進行的ST電熱模擬足以證明,使用SiC MOSFET可以實現更高的能效,從而降低任何散熱片的熱要求,進而降低重量,以及節省空間和成本。相較於Si IGBT,SiC MOSFET解決方案在靜態和動態條件以及開關和二極體方面均提供了更低的總功率損耗。

(參考原文:Industrial Drive Enhanced Energy Efficiency with SiC MOSFETs,by Stefano Lovati)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年10月號雜誌

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