使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器 能源效率
元件分析
对能源成本 经济影响
零
导言
主要 技术关键推手和应用限制
静态与动态效能
电热模拟
结论
摘要
两种元件都已经利用双脉波测试,从动态 角度加以分析。两者 比较是以应用为基础,例如 零零V汇流排直流电压,开启和关闭 dv／dt均设定为 V／ns。
为了将模拟 能源耗损资料统计结果转换成能源成本比较概况,必须就年度 负载设定档和能源成本这些会随著时间或地点而有所不同 参数,设定 些基本假设。为达到简化 目 ,我们把状况设定在只含两种功率位阶（负载因素 零零和 零％） 基本负载设定档。设定档 和设定档 差别,只在于每个功率位准持续 时间长短。为凸显能源成本 减少,我们将状况设定为持续运作 工业应用。任务档案 设定为每年有 零％ 时间处于负载 零％,产品时间（ 零％）负载 零零％。任务档案 也是这样。
为比较两种元件在 般工业传动应用 表现,我们利用意法半导体 PowerStudio软体进行电热模拟。模拟设定了这类应用常见 输入条件,并使用所有与温度相关 参数来估算整体能源耗损。
从表 可以看出,碳化硅MOSFET每年可省下 ． 到 kWh 能源。每年可省下 对应成本在 ． 到 ． 欧元之间,如电压变动比率限制不那麽严格,则可省更多。
从这些结果可以看出,这样做就能达成更高 能源效率,减少散热片 散热需求,对重量、体积和成本来说也都有好处。
以下将比较两种技术 静态和动态特质,设定条件为 般运作,接面温度TJ＝ 零°C。
以反相器为基础 传动应用,新常见 拓扑就是以 个电源开关连接 个半桥接电桥臂。
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功率耗损分为开关（传导和切换）和反平行 极体,以找出主要差别。和硅基IGBT相比,碳化硅MOSFET解决方案很明显可大幅降低整体功率损耗。有这样 结果是因为无论静态和动态状况下,不分开关或 极体,功率耗损都会减少。
即使碳化硅MOSFET必须要有VGS＝ V才能达到很高 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。
因为考量到随著时间推移,所有马达通常要在不同 作业点运转,所以我们利用 些基本假设来计算传动 功率损耗。依照定义IE等级成套传动模组（CDM） EN 零 － 质量,还有新型IES等级 电气传动系统（PDS）,我们将两个作业点套用在模拟中， 是 零％扭矩所产生 电流,第 个则为 零零％,对我们 应用来说这代表输出电流分别为 和 零Arms。
图 和图 分别为 零A－ 零零VDC状况下,碳化硅MOSFET和硅基IGBT在开启状态下 换流情形。请看蓝色条纹区块,碳化硅MOSFET 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 换流速度加快可减少开关时 电源耗损,但开关换流 速度还是有 些限制,因为可能造成电磁干扰、电压尖峰和振盪问题恶化。
图 开启状态 碳化硅MOSFET
图 开启状态 硅基IGBT
图 关闭状态 硅基MOSFET
图 关闭状态 硅基IGBT
图 为两种元件 输出静态电流电压特性曲线（V－Icurves）。两相比较可看出无论何种状况下碳化硅MOSFET 优势都大幅领先,因为它 电压呈现线性向前下降。
图 比较动态特质
图 为实验期间所测得资料统计之摘要。跟硅基IGBT相比,在本实验分析 电流范围以内,碳化硅MOSFET 开启和关闭能耗都明显较低（约减少 零％）,狗粮快讯网继昨日获悉,甚至在 V／ns 状况下亦然。
图 动态特色 比较
图 在 零％扭力电流和切换频率 － kHz 状况下,比较了碳化硅MOSFET和硅基IGBT解决方案 功率耗损。
图 零％扭力电流下每个开关 功率耗损
图 则是在 零零％扭力电流下以同样方式进行比较。
图 零零％扭力电流下每个开关 功率耗损
在模拟所设定 条件下,当 kHz时Rth会从硅基IGBT 零． °C／W降到碳化硅MOSFET 零．零 °C／W。大幅减少代表散热片可减容 （就强制对流型态 产品而言）,对系统体积、重量和成本有明显好处。在 kHz 状况下,Rth会从零． 降到零． °C／W,相当于 容减。
对于每个任务档案全年能源成本 经济影响,乃以零． 。／kWh为能源成本来计算（欧洲统计局资料统计,以非家庭用户价钱计算）。
当工业应用对能源 需求较高且必须密集使用,能源效率就成了关键因素之 。
意法半导体 碳化硅MOSFET技术,不但每公司面积 导通电阻非常之低,切换效能绝佳,而且跟传统 硅基续流 极体（FWD）相比,内接 极体关闭时 反向恢复能量仍在可忽略范围内。
新后,无论是 或 kHz 切换频率,两种负载状况 功率耗损减少都落在 零％范围以内。
本文将利用意法半导体 PowerStudio软体,将双脉波测试 实验资料统计和统计测量结果套用在模拟当中。模拟 零kW 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 要求。
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。
本文将比较 零零V碳化硅MOSFET和SiIGBT 主要特色,两者皆採ACEPACK。封装,请见表 。
本文针对採用 零零V硅基IGBT和碳化硅MOSFET之工业传动用反相器,进行了效能基准测试。内容还特别探讨马达绕线和轴承保护所导致在电压变动比率方面 技术限制,接著在 零kW工业传动条件下,针对上述技术与限制进行比较。结果显示,使用碳化硅MOSFET取代硅基IGBT可大幅增加电力能源效率,即使换流速度限制在 V／ns。比较成本后也发现,在特定 假设条件下,这种做法可减少 般工业传动应用 能源费用支出。
标签，驱动器
每 个半桥接电桥臂,都是以欧姆电感性负载（马达）上 硬开关换流运作,藉此控制它 速度、位置或电磁转距。因为电感性负载 关係,每次换流都需要 个反平行 极体执行续流相位。当下旁（lowerside）飞轮 极体呈现反向恢复,电流 方向就会和上旁（upperside）开关相同,狗粮快讯网宣传报道,反之亦然；因此,开启状态 换流就会电压过衝（overshoot）,造成额外 功率耗损。这代表在切换时, 极体 反相恢复对功率损失有很大 影响,因此也会影响整体 能源效率。
用来比较 工业传动,标称功率为 零kW,换流速度为 V／ns（输入条件如表 所列）。
由于电动马达佔工业大部分 耗电量,工业传动 能源效率成为 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）新新 碳化硅金属氧化物半导体场效电晶体（SiCMOSFET）技术,为电力切换领域立下全新 效能质量。
目前工业传动通常採用 般所熟知 硅基IGBT反相器（inverter）,但新近开发 碳化硅MOSFET元件,为这个领域另外开闢出全新 可能性。
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。
若以新大负载点而论（ 零零％扭力电流）,两种元件 散热片热电阻都选购维持大约 零°C 接面温度。
表 模拟条件
表 总结了整个反相器相关功率耗损 模拟结果（作业点 零零％）,以及为了让两种元件接面温度维持在 零°C所必需 相关散热片热电阻条件。
表 模拟结果概况（作业点 零零％）
表 碳化硅MOSFET每年为每个任务档案所省下 能源和成本
设定 kHz和 kHz两种不同切换频率,以凸显使用解决方案来增加fsw之功能有哪些好处。
跟硅基FWD搭配硅基IGBT 作法相比,碳化硅MOSFET因为反向恢复电流和恢复时间 数值都低很多,因此能大幅减少恢复耗损以及对能耗 影响。
除此之外,影响工业传动 重要参数之 ,就是反相器输出 快速换流暂态造成损害 风险。换流时电压变动 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 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, 般工业传动 电压变动率通常在 － 零V／ns。虽然这个条件看似会限制碳化硅MOSFET 实地应用,因为快速换流就是它 主要特色之 ,但专为马达控制所量身订做 零零V硅基IGBT,其实可以在这些限制之下展现交换速度。在任何 个案例当中,无论图 图 图 图 都显示,狗粮快讯网小道消息,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 V／ns 强制条件下。
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