看看使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器的能源效率详解

目(mu)前工业传动(dong)通常採(cai)用一般所熟知的硅基IGBT反相(xiang)器（inverter），但最近开(kai)发的碳(tan)化硅MOSFET元(yuan)件，为这个(ge)领域另(ling)外开(kai)闢出全新(xin)的可能性。

主要的技术关键推手和应用限制

以反相(xiang)器为基础的传动(dong)应(ying)用，最常见的拓扑就是以6个电(dian)源开(kai)关连(lian)接(jie)3个半(ban)桥(qiao)接(jie)电(dian)桥(qiao)臂。

每一个(ge)半桥接电桥臂(bei)，都是以欧姆电感(gan)性负(fu)载（马达）上的硬开(kai)关换(huan)流(liu)运作，藉(jie)此控制它的速(su)度(du)、位置或电磁(ci)转距。因为电感(gan)性负(fu)载的关係，每次换(huan)流(liu)都需要6个(ge)反(fan)平行二极(ji)体(ti)(ti)执行续流(liu)相位。当下旁（lower side）飞轮二极(ji)体(ti)(ti)呈现反(fan)向恢(hui)复，电流(liu)的方向就会(hui)和上旁（upper side）开(kai)关相同(tong)，反(fan)之亦然；因此，开(kai)启(qi)状态的换(huan)流(liu)就会(hui)电压过(guo)衝（overshoot），造成额外(wai)的功率耗损(sun)。这代(dai)表在切换(huan)时，二极(ji)体(ti)(ti)的反(fan)相恢(hui)复对(dui)功率损(sun)失(shi)有很大的影(ying)(ying)响，因此也会(hui)影(ying)(ying)响整体(ti)(ti)的能源效率。

跟硅(gui)基FWD搭配硅(gui)基IGBT的作法相(xiang)比，碳化硅(gui)MOSFET因(yin)为反(fan)向(xiang)恢复(fu)电(dian)流(liu)和恢复(fu)时间的数值都低(di)很多(duo)，因(yin)此能(neng)大幅减少恢复(fu)耗损以及对能(neng)耗的影(ying)响。

图(tu)1和图(tu)2分别为(wei)50 A-600 VDC状况(kuang)下，碳化(hua)硅(gui)MOSFET和硅(gui)基IGBT在开启状态下的(de)(de)换流(liu)(liu)(liu)情形(xing)。请看蓝色条纹区块(kuai)，碳化(hua)硅(gui)MOSFET的(de)(de)反向恢复电(dian)流(liu)(liu)(liu)和反向恢复时(shi)间都减少很多(duo)。开启和关闭(bi)期(qi)间的(de)(de)换流(liu)(liu)(liu)速度(du)加快可减少开关时(shi)的(de)(de)电(dian)源(yuan)耗损，但开关换流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)速度(du)还是有一些限制(zhi)，因为(wei)可能造成(cheng)电(dian)磁干扰、电(dian)压尖峰(feng)和振盪问题恶化(hua)。

除此之外，影响工(gong)业(ye)传(chuan)动(dong)(dong)的(de)重要参数之一，就是(shi)反相器输出(chu)的(de)快速换(huan)流(liu)暂态造(zao)成(cheng)损害的(de)风险。换(huan)流(liu)时(shi)电(dian)压(ya)变(bian)动(dong)(dong)的(de)比率（dv/dt）较(jiao)高，马达线路较(jiao)长时(shi)确实会增加电(dian)压(ya)尖峰(feng)，让共模(mo)和微分(fen)模(mo)式的(de)寄(ji)生(sheng)电(dian)流(liu)更加严重，长久(jiu)以(yi)往可(ke)(ke)能导致绕组(zu)绝(jue)缘和马达轴承故(gu)障。因此为了保障可(ke)(ke)靠度(du)，一般(ban)工(gong)业(ye)传(chuan)动(dong)(dong)的(de)电(dian)压(ya)变(bian)动(dong)(dong)率通常在5-10 V/ns。

虽然这(zhei)个条件(jian)看似会限(xian)制碳化(hua)硅(gui)(gui)(gui)MOSFET的(de)实地应用(yong)，因(yin)为快速换(huan)流就是它的(de)主要(yao)特色之一，但专为马达(da)控(kong)制所(suo)量(liang)身(shen)订(ding)做的(de)1200 V 硅(gui)(gui)(gui)基(ji)IGBT，其实可以(yi)在这(zhei)些限(xian)制之下展现(xian)交换(huan)速度。在任(ren)何一个案例(li)当(dang)中，无论图(tu)1、图(tu)2、图(tu)3、图(tu)4都显(xian)示，跟硅(gui)(gui)(gui)基(ji)IGBT相比，碳化(hua)硅(gui)(gui)(gui)MOSFET元件(jian)开启或(huo)关闭(bi)时(shi)都保证能(neng)减(jian)少能(neng)源耗损，即使是在5 V/ns的强制条件下。

静态与动态效能

以(yi)下将比较两种(zhong)技术的(de)静态(tai)和动态(tai)特质，设定条件为一般运作，接面温(wen)度TJ = 110℃。图5为两(liang)种元件的(de)输出(chu)静态(tai)电(dian)流电(dian)压(ya)特性曲线（V-I curves）。两(liang)相比较可看出(chu)无(wu)论何种状况下碳化硅MOSFET的(de)优势都大幅(fu)领先，因为它的(de)电(dian)压(ya)呈现线性向前下降。

即使碳化硅MOSFET必须要有(you)VGS = 18 V才能达到很(hen)高的RDS（ON），但可保证静(jing)态效能远(yuan)优于硅基(ji)IGBT，能大幅减少导电耗损。

两种元件(jian)都已经利(li)用双(shuang)脉波测试(shi)，从(cong)动态的角(jiao)度加(jia)以分(fen)析。两者的比(bi)较是(shi)以应用为基础，例(li)如600 V汇(hui)流排(pai)直流电压，开启和关闭的dv/dt均设定(ding)为5 V/ns。

图6为(wei)实验期间所(suo)测得数(shu)据之摘要(yao)。跟硅基IGBT相比，在(zai)本实验分析的电(dian)流(liu)范围以内，碳化(hua)硅MOSFET的开启和关闭能(neng)耗(hao)都明显较低（约(yue)减少(shao)50%），甚至在(zai)5 V/ns的状况(kuang)下亦然。

碳化硅MOSFET对能源成本的经济影响

当工业(ye)应用(yong)对(dui)能源(yuan)的(de)需求较(jiao)高且(qie)必须密集使用(yong)，能源(yuan)效率(lv)就成了关键因素(su)之一。

为(wei)了(le)将(jiang)模拟的(de)(de)(de)能源耗(hao)损(sun)数(shu)据(ju)结果(guo)转换成(cheng)能源成(cheng)本(ben)比较概况，必须就年(nian)(nian)度的(de)(de)(de)负(fu)(fu)载设(she)(she)(she)定(ding)(ding)档和能源成(cheng)本(ben)这些(xie)会随(sui)著时(shi)间(jian)或地(di)点而有所不(bu)同的(de)(de)(de)参(can)数(shu)，设(she)(she)(she)定(ding)(ding)一些(xie)基(ji)本(ben)假设(she)(she)(she)。为(wei)达到(dao)简(jian)化(hua)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)，我们把(ba)状(zhuang)况设(she)(she)(she)定(ding)(ding)在只(zhi)含两种(zhong)功率位阶（负(fu)(fu)载因素100和50%）的(de)(de)(de)基(ji)本(ben)负(fu)(fu)载设(she)(she)(she)定(ding)(ding)档。设(she)(she)(she)定(ding)(ding)档1和设(she)(she)(she)定(ding)(ding)档2的(de)(de)(de)差别，只(zhi)在于每个(ge)功率位准持(chi)续的(de)(de)(de)时(shi)间(jian)长短(duan)。为(wei)凸显能源成(cheng)本(ben)的(de)(de)(de)减少，我们将(jiang)状(zhuang)况设(she)(she)(she)定(ding)(ding)为(wei)持(chi)续运作的(de)(de)(de)工(gong)业应用。任务档案1设(she)(she)(she)定(ding)(ding)为(wei)每年(nian)(nian)有60%的(de)(de)(de)时(shi)间(jian)处(chu)于负(fu)(fu)载50%，其他时(shi)间(jian)（40%）负(fu)(fu)载100%。

对于每个任务(wu)档案全年能源(yuan)成本的经(jing)济影响(xiang)，乃(nai)以0.14 €/kWh为(wei)能源(yuan)成本来计(ji)算(suan)（欧洲统(tong)计(ji)局数(shu)据(ju)，以非家庭用户价格计(ji)算(suan)）。

从表4可以(yi)看(kan)出，碳化硅MOSFET每(mei)年可省(sheng)下(xia)895.7到1415 kWh的能源。每(mei)年可省(sheng)下(xia)的对应成本(ben)在125.4到198.1欧元之间，如(ru)电压变动比率限制(zhi)不那麽严格，则可省(sheng)更多(duo)。

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