碳化硅已準(zhǔn)備好部署在具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)。 SiC 功率模塊的實(shí)際優(yōu)勢(shì)不僅僅限于效率提升。對(duì)兩種電機(jī)驅(qū)動(dòng)類型的檢查顯示了全面的節(jié)省。關(guān)鍵是要看大局。
　　碳化硅 MOSFET 已被證明是太陽能、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車充電器中硅 IGBT 的商業(yè)可行替代品。在這些應(yīng)用中，效率的提高和濾波器尺寸的減小抵消了半導(dǎo)體材料成本的增加。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為一種商品，需要低成本、強(qiáng)大的功率半導(dǎo)體，而不太考慮設(shè)備級(jí)效率?，F(xiàn)在，能源成本的上升以及有關(guān)電流諧波和CO 2排放的監(jiān)管要求正在促使設(shè)計(jì)人員尋找更高效的解決方案。再加上可批量生產(chǎn)、具有短路功能的 SiC 功率器件的出現(xiàn)，意味著SiC 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域占有一席之地。通過研究?jī)煞N不同的驅(qū)動(dòng)器類型，可以檢驗(yàn) SiC 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)代高性能驅(qū)動(dòng)器通常采用有源前端 (AFE)，利用有源器件而不是無源整流器進(jìn)行線路連接，原因有兩個(gè)。 1.) 解決變頻器在電網(wǎng)上產(chǎn)生的諧波含量。有源器件的三相電橋可以與線路頻率同步，并從接近單位功率因數(shù)的線路汲取正弦電流。該拓?fù)渲С譂M足諧波要求（例如美國的 IEEE 519）并提高電網(wǎng)利用率。在行業(yè)和應(yīng)用不斷電氣化的推動(dòng)下，這個(gè)主題變得越來越重要。 2.) 將能量推回到電網(wǎng)的能力。這對(duì)于在運(yùn)行期間可以產(chǎn)生能量的應(yīng)用是有益的，否則必須使用無源制動(dòng)電阻器來耗散能量。這些可以是伺服驅(qū)動(dòng)器、起重機(jī)、電梯、自動(dòng)扶梯、下坡輸送機(jī)、測(cè)功機(jī)等。

　　簡(jiǎn)單的 AFE 通常使用如圖 1 所示的電路。為此，用 SiC MOSFET 替換 IGBT 及其相關(guān)的續(xù)流二極管可以為整個(gè)系統(tǒng)帶來多種好處。

　　圖 1. 典型的有源前端拓?fù)?。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
　　檢查具有以下運(yùn)行參數(shù)的完整 20 kW (27HP) AFE 驅(qū)動(dòng)器：
　　直流電壓：750V
　　V線：400V
　　I線：30A
　　PF：0.98
　　f線：50赫茲
　　fsw ：Si = 5 kHz，SiC = 20 kHz
　　Rth (sa)：0.31K/W
　　室溫：40° C
　　用于本次比較的基準(zhǔn) Si IGBT 功率模塊使用一代（第 7代）1200 V/50 A IGBT，而所選 SiC MOSFET 功率模塊使用 1200 V/18 mΩ MOSFET。兩個(gè)模塊均采用相同的封裝，即賽米控丹佛斯的 SEMITOP E1。在此仿真中，SiC 的開關(guān)頻率不斷增加，直到達(dá)到與 Si 器件相同的結(jié)溫。
　　表 1. 模擬 AFE 應(yīng)用比較

　

　　即使在四倍載波頻率下，SiC 器件的每個(gè)三相電路的總損耗也可降低 34%。此外，LCL 濾波器的尺寸也有直接影響。較高的開關(guān)頻率會(huì)降低所需的電感和電容。電感器的總重量幾乎減半，而整體體積減小了70%。雖然 SiC 電源模塊的成本高于 Si 器件，但必須考慮系統(tǒng)的總擁有成本：
　　更小的驅(qū)動(dòng)器體積和重量：
　　 減少運(yùn)輸、包裝和存儲(chǔ)空間
　　 安裝更簡(jiǎn)單
　　 更小的面板和安裝空間
　　減少功率損耗
　　節(jié)能和降低成本
　　 較低的冷卻要求
　　從更廣泛的范圍來看，碳化硅帶來的巨大好處不僅可以彌補(bǔ)組件的成本。在 AFE 應(yīng)用中，它們還在產(chǎn)品生命周期內(nèi)提供顯著的成本效益。
　　逆變器側(cè)（常規(guī)驅(qū)動(dòng)）
　　連接到電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器逆變器側(cè)對(duì)實(shí)施 SiC 提出了挑戰(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
　　dv/dt 必須受到限制（例如 <5 kV/μs）以避免損壞電機(jī)
　　開關(guān)頻率受到限制，以使驅(qū)動(dòng)損耗保持在可接受的水平，并避免屏蔽電機(jī)電纜中漏電流過多

　　SiC MOSFET 的短路能力長(zhǎng)期以來一直是一個(gè)關(guān)鍵話題。然而，在一代的產(chǎn)品中，SiC 器件現(xiàn)在可以處理幾微秒的短路，使其成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可行選擇。

　　圖 2. 采用無源整流器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
　　從圖 2 的示意圖中可以看出，不存在可以通過增加開關(guān)頻率來減少的磁性元件。盡管如此，在此應(yīng)用中，SiC 仍然可以提供有價(jià)值的優(yōu)勢(shì)。通過具有以下參數(shù)的示例性 15kW (20HP) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來說明這一點(diǎn)，如可變扭矩應(yīng)用中常見的那樣：
　　直流電壓：560V
　　輸出電壓：355V
　　我輸出：26 A
　　過載：110%/1分鐘
　　PF：0.98（永磁電機(jī)）
　　f輸出：50 Hz
　　f sw：Si/SiC = 5 kHz（dv/dt 限制為 5 kV/μs）
　　Rth (sa)：0.31K/W
　　溫度：50° C
　　用于本次比較的基準(zhǔn) Si IGBT 功率模塊使用SEMITOP E2 封裝中的一代（第7 代）1200 V/35 A IGBT。所選SiC MOSFET功率模塊采用1200 V/18 mΩ MOSFET。該 MOSFET 是 ROHM Semiconductor 的第四代MOSFET ，用于 Semikron Danfoss 電源模塊時(shí)具有額定 2 ?s 短路能力（V G = 18 V，T j = 150°C，V DC = 720 V）。對(duì)于這兩個(gè)示例模塊，都選擇了外部柵極電阻器來將 dv/dt 限制為 5 kV/μs。
　　該應(yīng)用正在驅(qū)動(dòng)具有二次扭矩特性的離心泵，如圖 3 所示。實(shí)際泵主要在 40% 至 80% 的速度范圍內(nèi)運(yùn)行。該工作區(qū)域?qū)?yīng)于 SiC MOSFET 的傳導(dǎo)損耗低于 Si IGBT 的電流范圍。由于 MOSFET 速度減慢至 5kV/μs，與 IGBT 解決方案相比，開關(guān)損耗幾乎沒有優(yōu)勢(shì)。然而，由于線性正向特性，MOSFET 的傳導(dǎo)損耗要低得多。
　　在適用的速度范圍內(nèi)，SiC 在損耗方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。配備 SiC 的驅(qū)動(dòng)器在低速時(shí)的損耗比 Si 版本低 7%，在全速時(shí)損耗低 22%。這相當(dāng)于低速時(shí)總效率提高了 0.6%，高速時(shí)總效率提高了 0.5%。通過查看驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行期間不同運(yùn)行速度所花費(fèi)的時(shí)間，這些值可以等同于實(shí)際節(jié)省的時(shí)間。如果計(jì)算每個(gè)負(fù)載點(diǎn)的損耗，則可以計(jì)算每個(gè)驅(qū)動(dòng)器一年內(nèi)損失的總能量。