在各種應(yīng)用領(lǐng)域取得商業(yè)成功之后，碳化硅準(zhǔn)備進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)激烈的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)。碳化硅功率模塊的實(shí)際好處不僅僅局限于效率提升。對(duì)比兩種電機(jī)驅(qū)動(dòng)類(lèi)型可以看到在各個(gè)方面都能節(jié)省成本。關(guān)鍵是從整體的角度來(lái)看。

在太陽(yáng)能、能源儲(chǔ)存系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)充電器等領(lǐng)域，碳化硅MOSFET已經(jīng)被證明是硅IGBT的商業(yè)可行替代方案。這些都是效率提升和濾波器尺寸減小能夠抵消任何材料成本增加的應(yīng)用領(lǐng)域。作為商品的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要低成本、堅(jiān)固耐用的功率半導(dǎo)體器件，對(duì)于器件級(jí)的效率要求不高。

然而，全球能源成本的上升以及關(guān)于電流諧波和CO2排放的監(jiān)管要求，正在推動(dòng)設(shè)計(jì)師尋找更高效的解決方案。加上大規(guī)模生產(chǎn)、具有短路能力的碳化硅功率器件的可用性，意味著碳化硅在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中有一席之地。通過(guò)對(duì)兩種不同驅(qū)動(dòng)類(lèi)型的研究，可以研究碳化硅在不同電路位置的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

線路側(cè)(低諧波/再生驅(qū)動(dòng))

現(xiàn)代性能驅(qū)動(dòng)通常采用活動(dòng)前端(AFE)，使用活動(dòng)器件而不是被動(dòng)整流器連接到電網(wǎng)的原因有兩個(gè)。1)解決驅(qū)動(dòng)器對(duì)電網(wǎng)造成的諧波內(nèi)容。三相活動(dòng)器件橋可以與電網(wǎng)頻率同步，并從電網(wǎng)中提取接近于單位功率因數(shù)的正弦電流。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持滿足諧波要求并提高電網(wǎng)的利用率。隨著工業(yè)和應(yīng)用的電氣化不斷推進(jìn)，這個(gè)問(wèn)題變得越來(lái)越重要。2)能夠?qū)⒛芰克突仉娋W(wǎng)。這在那些在運(yùn)行過(guò)程中可以產(chǎn)生能量的應(yīng)用中非常有益，否則這些能量必須通過(guò)被動(dòng)剎車(chē)電阻進(jìn)行消耗。這些應(yīng)用可以是伺服驅(qū)動(dòng)器、起重機(jī)、電梯、自動(dòng)扶梯、下坡輸送機(jī)、測(cè)功儀等。

最簡(jiǎn)單的AFE通常使用如圖1所示的電路。對(duì)于這種情況，用碳化硅MOSFET替換IGBT及其相關(guān)的自由輪二極管可以為整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)多重好處。

對(duì)以下具有以下操作參數(shù)的完整的20 kW(27馬力)的AFE驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了研究:

VDC: 750 V

Vline: 400 V

Iline: 30 A

PF: 0.98

fline: 50 Hz

fsw: Si = 5 kHz，SiC = 20 kHz

Rth(s-a): 0.31 K/W

Tamb: 40°C

此比較的基準(zhǔn)Si IGBT功率模塊使用了最新一代(第7代)1200 V/50 A IGBT，而所選的碳化硅MOSFET功率模塊使用了1200 V/18 mΩ MOSFET。兩個(gè)模塊采用相同的封裝，Semikron Danfoss的SEMITOP E1。在此模擬中，增加碳化硅的開(kāi)關(guān)頻率直到達(dá)到與Si器件相同的結(jié)溫。

即使在四倍的載波頻率下，碳化硅器件的每個(gè)三相電路的總損耗仍然低于34%。此外，這直接影響到LCL濾波器的尺寸。更高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)減小所需的電感和電容。電感器的總重量減少了近一半，而總體體積減小了70%。盡管碳化硅功率模塊的成本高于硅器件，但必須考慮到系統(tǒng)的總擁有成本:

? 驅(qū)動(dòng)器體積和重量更小：

? 減少運(yùn)輸、包裝和存儲(chǔ)空間

? 安裝更容易

? 面板和安裝空間更小

? 減少瓦特?fù)p耗

? 節(jié)能和降低成本

? 較低的冷卻需求

從更廣泛的范圍來(lái)看，碳化硅帶來(lái)的實(shí)質(zhì)性好處不僅可以彌補(bǔ)組件成本。在AFE應(yīng)用中，它們還提供了整個(gè)產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的實(shí)質(zhì)性成本優(yōu)勢(shì)。

逆變器側(cè)(傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng))

與AFE示例相比，驅(qū)動(dòng)器連接到電機(jī)的逆變器側(cè)對(duì)于實(shí)施碳化硅來(lái)說(shuō)存在挑戰(zhàn)。在這里，與AFE示例相比，必須考慮一些限制和關(guān)鍵要求:

·逆變器必須能夠承受短路

·必須限制dv/dt(如<5 kV/μs)以避免對(duì)電機(jī)的損壞

·為了將驅(qū)動(dòng)損耗保持在可接受的水平并避免屏蔽電機(jī)電纜中過(guò)多的泄漏電流，必須限制開(kāi)關(guān)頻率

碳化硅MOSFET的短路能力一直是一個(gè)重要的問(wèn)題。然而，隨著最新一代的推出，現(xiàn)在有了能夠處理幾微秒短路的碳化硅器件，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，沒(méi)有可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減少的磁性元件。然而，在這種應(yīng)用中，碳化硅仍然可以提供有價(jià)值的好處。這通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明，這是一個(gè)具有以下參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)的15kW(20馬力)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通常用于可變轉(zhuǎn)矩應(yīng)用:

VDC: 560 V

Vout: 355 V

Iout: 26 A

過(guò)載: 110%/1 min

PF: 0.98(永磁電機(jī))

fout: 50 Hz

fsw: Si/SiC = 5 kHz(dv/dt限制為5 kV/μs)

Rth(s-a): 0.31 K/W

Tamb: 50°C

此比較的基準(zhǔn)Si IGBT功率模塊使用了最新一代(第7代)1200 V/35 A IGBT，采用SEMITOP E2封裝。所選的碳化硅MOSFET功率模塊使用了1200 V/18 mΩ MOSFET。這個(gè)MOSFET是ROHM Semiconductor的最新第四代產(chǎn)品，在Semikron Danfoss功率模塊中使用時(shí)具有額定的2微秒短路能力(VG = 18 V，Tj = 150°C，VDC = 720 V)。對(duì)于兩個(gè)示例模塊，外部門(mén)極電阻被選為限制dv/dt在5 kV/μs的水平。

該應(yīng)用驅(qū)動(dòng)一個(gè)具有二次方扭矩特性的離心泵，如圖3所示。實(shí)際應(yīng)用中的泵主要在40%到80%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。這個(gè)操作區(qū)域?qū)?yīng)于一個(gè)電流范圍，碳化硅MOSFET在這個(gè)范圍內(nèi)的導(dǎo)通損耗低于硅IGBT。當(dāng)MOSFET減速到5 kV/μs時(shí)，與IGBT解決方案相比，開(kāi)關(guān)損耗幾乎沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。然而，由于線性前向特性，MOSFET的導(dǎo)通損耗要小得多。

圖4顯示了一個(gè)完整的15 kW驅(qū)動(dòng)(包括二極管前端、直流電容器和逆變器)的損耗和效率，其中灰色表示Si IGBT，紅色表示碳化硅MOSFET。

結(jié)果顯示，碳化硅在適用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的損耗明顯優(yōu)于硅。在低速下，碳化硅驅(qū)動(dòng)的損耗比硅版本低7%，在全速下降低22%。這相當(dāng)于低速下總效率提高了0.6%，高速下提高了0.5%。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)在操作過(guò)程中在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行估算，可以將這些值轉(zhuǎn)化為實(shí)際節(jié)省的成本。圖5中的年負(fù)載估算是基于工業(yè)泵驅(qū)動(dòng)的典型應(yīng)用。如果計(jì)算每個(gè)負(fù)載點(diǎn)的損耗，可以計(jì)算出每個(gè)驅(qū)動(dòng)器在一年內(nèi)的總能量損耗。

一年內(nèi)，碳化硅驅(qū)動(dòng)的累計(jì)能量消耗僅為377千瓦時(shí)，而硅驅(qū)動(dòng)的能量消耗為651千瓦時(shí)。這意味著能源消耗減少了42%，對(duì)環(huán)境和財(cái)務(wù)都有實(shí)際的影響。每年溫室氣體減少125千克二氧化碳(全球混合，2023年)。在德國(guó)這樣的國(guó)家(0.20€/kWh，2023年)，碳化硅驅(qū)動(dòng)的成本增加可以在一年內(nèi)得到補(bǔ)償;而在美國(guó)這樣的國(guó)家，電力成本較低，可以在不到三年的時(shí)間內(nèi)得到補(bǔ)償。

最后，利用碳化硅具有物理上的優(yōu)勢(shì)，可以使用碳化硅制造功率等級(jí)相同的驅(qū)動(dòng)器更小。進(jìn)一步的模擬顯示，碳化硅的較低半導(dǎo)體功耗可以使散熱器體積減小高達(dá)71%，在相同溫升下。對(duì)于工業(yè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，這意味著可以減少風(fēng)量和冷卻風(fēng)扇的數(shù)量。此外，驅(qū)動(dòng)器安裝的面板和柜子可以更小、更輕，減少了材料、物流和安裝成本。相反，如果保持相同的熱設(shè)計(jì)，對(duì)于給定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)架尺寸，輸出功率可以增加多達(dá)25%。

碳化硅功率模塊

為了滿足驅(qū)動(dòng)器制造商的需求，Semikron Danfoss提供常見(jiàn)拓?fù)浜头庋b的碳化硅功率模塊(圖6)。SEMITOP E、MiniSKiiP和SEMITRANS Classic都可以配備ROHM最新一代的碳化硅MOSFET，具有短路能力和單極性門(mén)控。

這些器件與現(xiàn)有的Si器件兼容，可使用高性能的預(yù)應(yīng)用熱界面材料。為了獲得最高的功率循環(huán)可靠性，MiniSKiiP封裝提供了燒結(jié)芯片。這些芯片使碳化硅在伺服或機(jī)器人驅(qū)動(dòng)等存在嚴(yán)重過(guò)載峰值的應(yīng)用中得到應(yīng)用。

總體情況

這兩個(gè)例子展示了當(dāng)切換到碳化硅時(shí)，驅(qū)動(dòng)器制造商和最終用戶(hù)獲得的新自由度的味道，即使沒(méi)有將材料推到極限。對(duì)于高速馬達(dá)在渦輪壓縮機(jī)中的特殊驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，甚至可以獲得更多的好處。這些情況通常不受dv/dt和開(kāi)關(guān)頻率限制的限制。

在模塊級(jí)別上進(jìn)行成本比較是沒(méi)有意義的。視野必須擴(kuò)展，包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和總擁有成本。在這種情況下,SIC帶來(lái)的整體收益超過(guò)模塊成本的增加。具有高性能和新的健壯性, 是下一代的選擇 工業(yè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。

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