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SiC MOSFET用于电机驱动的优势在哪里

在我们的传统印象中,电机驱动系统往往采用IGBT作为开关器件,而SiC MOSFET作为高速器件往往与光伏和电动汽车充电等需要高频变换的应用相关联。但在特定的电机应用中,SiC仍然具有不可比拟的优势,他们是:

1 低电感电机

低电感电机有许多不同应用,包括大气隙电机、无槽电机和低泄露感应电机。它们也可被用在使用PCB定子而非绕组定子的新电机类型中。这些电机需要高开关频率(50-100kHz)来维持所需的纹波电流。然而,对于50kHz以上的调制频率使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)无法满足这些需求,如果是380V系统,硅MOSFET耐压又不够,这就为宽禁带器件开创了新的机会。

2 高速电机

由于拥有高基波频率,这些电机也需要高开关频率。它们适用于高功率密度电动汽车、高极数电机、拥有高扭矩密度的高速电机以及兆瓦级高速电机等应用。同样,IGBT能够达到的最高开关频率受到限制,而通过使用宽禁带开关器件可能能够突破这些限制。例如燃料电池中的空压机。空压机最高转速超过15万rpm,空压机电机控制器的输出频率超过2500Hz,功率器件需要很高的开关频率(超过50kHz),因此SiC-MOSFET是这类应用的首选器件。

3 恶劣工况

在电机控制逆变器中使用宽禁带器件有两个引人关注的益处。第一,它们产生的热量比硅器件少,降低了散热需求。第二,它们能承受更高工作温度——SiC:600°C,GaN:300°C,而硅芯片能承受的最高工作温度仅为200°C。虽然SiC产品目前存在一些与封装有关的问题,导致它们所适用的工作温度不能超过200°C,但专注于解决这些问题的研究正在进行中。因此,宽禁带器件更适合可能面临恶劣工况的电机应用,比如混合动力电动汽车(HEV)中的集成电机驱动器、海底和井下应用、空间应用等

传统的电机驱动中,往往使用IGBT作为开关器件。那么,SiC MOSFET相对于Si IGBT有哪些优势,使得它更适合电机驱动应用?

首先,从开关特性角度看,功率器件开关损耗分为开通损耗和关断损耗。

关断损耗

IGBT是双极性器件,导通时电子和空穴共同参与导电,但关断时由于空穴,只能通过复合逐渐消失,从而产生拖尾电流,拖尾电流是造成IGBT关断损耗的大的主要原因。SiC  MOSFET是单极性器件,只有电子参与导电,关断时没有拖尾电流使得SiC MOSFET关断损耗大大低于IGBT。

开通损耗

IGBT开通瞬间电流往往会有过冲,这是反并联二极管换流时产生的反向恢复电流。反向恢复电流叠加在IGBT开通电流上,增加了器件的开通损耗。IGBT的反并联二极管往往是Si PiN二极管,反向恢复电流比较明显。而SiC MOSFET的结构里天然集成了一个体二极管,无需额外并联二极管。SiC体二极管参与换流,它的反向恢复电流要远低于IGBT反并联的硅PiN二极管,因此,即使在同样的dv/dt条件下,SiC MOSFET的开通损耗也低于IGBT。另外,SiC MOSFET可以使得伺服驱动器与电机集成在一起,从而摒除线缆上dv/dt的限制,高dV/dt条件下,SiC的开关损耗会进一步降低,远低于IGBT。即使是开关过程较慢时,碳化硅的开关损耗也优于IGBT。

此外,SiC MOSFET的开关损耗基本不受温度影响,而IGBT的开关损耗随温度上升而明显增加。因此高温下SiC MOSFET的损耗更具优势。

再考虑dv/dt的限制,相同dv/dt条件下,高温下SiC MOSFET总开关损耗会有50%~60%的降低,如果不限制dv/dt,SiC开关总损耗最高降低90%。

从导通特性角度看:

SiC MOSFET导通时没有拐点,很小的VDS电压就能让SiC MOSFET导通,因此在小电流条件下,SiC MOSFET的导通电压远小于IGBT。大电流时IGBT导通损耗更低,这是由于随着器件压降上升,双极性器件IGBT开始导通,由于电导调制效应,电子注入激发更多的空穴,电流迅速上升,输出特性的斜率更陡。对应电机工况,在轻载条件下,SiC MOSFET具有更低的导通损耗。重载或加速条件下,SiC MOSFET导通损耗的优势会有所降低。

CoolSiC™ MOSFET在各种工况下导通损耗降低,

下面通过一个实例研究,实际验证SiC MOSFET在电机驱动中的优势。

假定以下工况,对比三款器件:

IGBT IKW40N120H3,

SiC MOSFET IMW120R060M1H和IMW120R030M1H。

测试条件

Vdc=600V, VN,out=400V, IN,out=5A–25A, 

fN,sin-out=50Hz, fsw=4-16kHz, Tamb=25°C,

cos(φ)N=0.9, Rth,HA=0.63K/W, dv/dt=5V/ns

M=1,Vdc=600V, fsin=50Hz, RG@dv/dt=5V/ns, fsw=8kHz,线缆长度5m, Tamb=25°C

可以看出,基于以上工况,同样的温度条件下,30mohm的器件输出电流比40A IGBT提高了10A,哪怕换成小一档的60mohm SiC MOSFET,输出电流也能提升约5A。而相同电流条件下,SiC MOSFT的温度明显降低。

综上所述,SiC开关器件能为电机驱动系统带来的益处总结如下:

更低损耗‒降低耗电量,让人们的生活更加环保、可持续。

性能卓越‒实现更高功率密度,通过以更小的器件达到相同性能,来实现更经济的电机设计。

结构紧凑‒实现更紧凑、更省空间的电机设计,减少材料消耗,降低散热需求。

更高质量‒SiC逆变器拥有更长使用寿命,且不易出故障,使得制造商能够提供更长的保修期。

最后,英飞凌CoolSiC™能保证单管3us,Easy模块2us的短路能力,进一步保证系统的安全性与可靠性。

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