【導讀】低電感電機有許多不同應用，包括大氣隙電機、無(wú)槽電機和低泄露感應電機。它們也可被用在使用PCB定子而非繞組定子的新電機類(lèi)型中。這些電機需要高開(kāi)關(guān)頻率（50-100kHz）來(lái)維持所需的紋波電流。然而，對于50kHz以上的調制頻率使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）無(wú)法滿(mǎn)足這些需求，如果是380V系統，硅MOSFET耐壓又不夠，這就為寬禁帶器件開(kāi)創(chuàng )了新的機會(huì )。
在我們的傳統印象中，電機驅動(dòng)系統往往采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，而SiC MOSFET作為高速器件往往與光伏和電動(dòng)汽車(chē)充電等需要高頻變換的應用相關(guān)聯(lián)。但在特定的電機應用中，SiC仍然具有不可比擬的優(yōu)勢，他們是：
1. 低電感電機
低電感電機有許多不同應用，包括大氣隙電機、無(wú)槽電機和低泄露感應電機。它們也可被用在使用PCB定子而非繞組定子的新電機類(lèi)型中。這些電機需要高開(kāi)關(guān)頻率（50-100kHz）來(lái)維持所需的紋波電流。然而，對于50kHz以上的調制頻率使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）無(wú)法滿(mǎn)足這些需求，如果是380V系統，硅MOSFET耐壓又不夠，這就為寬禁帶器件開(kāi)創(chuàng )了新的機會(huì )。
2. 高速電機
由于擁有高基波頻率，這些電機也需要高開(kāi)關(guān)頻率。它們適用于高功率密度電動(dòng)汽車(chē)、高極數電機、擁有高扭矩密度的高速電機以及兆瓦級高速電機等應用。同樣，IGBT能夠達到的最高開(kāi)關(guān)頻率受到限制，而通過(guò)使用寬禁帶開(kāi)關(guān)器件可能能夠突破這些限制。例如燃料電池中的空壓機?？諌簷C最高轉速超過(guò)15萬(wàn)rpm，空壓機電機控制器的輸出頻率超過(guò)2500Hz，功率器件需要很高的開(kāi)關(guān)頻率（超過(guò)50kHz），因此SiC-MOSFET是這類(lèi)應用的首選器件。
3. 惡劣工況
在電機控制逆變器中使用寬禁帶器件有兩個(gè)引人關(guān)注的益處。第一，它們產(chǎn)生的熱量比硅器件少，降低了散熱需求。第二，它們能承受更高工作溫度——SiC：600°C，GaN：300°C，而硅芯片能承受的最高工作溫度僅為200°C。雖然SiC產(chǎn)品目前存在一些與封裝有關(guān)的問(wèn)題，導致它們所適用的工作溫度不能超過(guò)200°C，但專(zhuān)注于解決這些問(wèn)題的研究正在進(jìn)行中。因此，寬禁帶器件更適合可能面臨惡劣工況的電機應用，比如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）中的集成電機驅動(dòng)器、海底和井下應用、空間應用等
傳統的電機驅動(dòng)中，往往使用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件。那么，SiC MOSFET相對于Si IGBT有哪些優(yōu)勢，使得它更適合電機驅動(dòng)應用？
首先，從開(kāi)關(guān)特性角度看，功率器件開(kāi)關(guān)損耗分為開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗。
關(guān)斷損耗
IGBT是雙極性器件，導通時(shí)電子和空穴共同參與導電，但關(guān)斷時(shí)由于空穴，只能通過(guò)復合逐漸消失，從而產(chǎn)生拖尾電流，拖尾電流是造成IGBT關(guān)斷損耗的大的主要原因。SiC MOSFET是單極性器件，只有電子參與導電，關(guān)斷時(shí)沒(méi)有拖尾電流使得SiC MOSFET關(guān)斷損耗大大低于IGBT。
開(kāi)通損耗
IGBT開(kāi)通瞬間電流往往會(huì )有過(guò)沖，這是反并聯(lián)二極管換流時(shí)產(chǎn)生的反向恢復電流。反向恢復電流疊加在IGBT開(kāi)通電流上，增加了器件的開(kāi)通損耗。IGBT的反并聯(lián)二極管往往是Si PiN二極管，反向恢復電流比較明顯。而SiC MOSFET的結構里天然集成了一個(gè)體二極管，無(wú)需額外并聯(lián)二極管。SiC體二極管參與換流，它的反向恢復電流要遠低于IGBT反并聯(lián)的硅PiN二極管，因此，即使在同樣的dv/dt條件下，SiC MOSFET的開(kāi)通損耗也低于IGBT。另外，SiC MOSFET可以使得伺服驅動(dòng)器與電機集成在一起，從而摒除線(xiàn)纜上dv/dt的限制，高dV/dt條件下，SiC的開(kāi)關(guān)損耗會(huì )進(jìn)一步降低，遠低于IGBT。即使是開(kāi)關(guān)過(guò)程較慢時(shí)，碳化硅的開(kāi)關(guān)損耗也優(yōu)于IGBT。
此外，SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗基本不受溫度影響，而IGBT的開(kāi)關(guān)損耗隨溫度上升而明顯增加。因此高溫下SiC MOSFET的損耗更具優(yōu)勢。
再考慮dv/dt的限制，相同dv/dt條件下，高溫下SiC MOSFET總開(kāi)關(guān)損耗會(huì )有50%~60%的降低，如果不限制dv/dt，SiC開(kāi)關(guān)總損耗最高降低90%。
從導通特性角度看：
SiC MOSFET導通時(shí)沒(méi)有拐點(diǎn)，很小的VDS電壓就能讓SiC MOSFET導通，因此在小電流條件下，SiC MOSFET的導通電壓遠小于IGBT。大電流時(shí)IGBT導通損耗更低，這是由于隨著(zhù)器件壓降上升，雙極性器件IGBT開(kāi)始導通，由于電導調制效應，電子注入激發(fā)更多的空穴，電流迅速上升，輸出特性的斜率更陡。對應電機工況，在輕載條件下，SiC MOSFET具有更低的導通損耗。重載或加速條件下，SiC MOSFET導通損耗的優(yōu)勢會(huì )有所降低。
CoolSiC? MOSFET在各種工況下導通損耗降低，
下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例研究，實(shí)際驗證SiC MOSFET在電機驅動(dòng)中的優(yōu)勢。
假定以下工況，對比三款器件：
IGBT IKW40N120H3，
SiC MOSFET IMW120R060M1H和IMW120R030M1H。
測試條件
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，線(xiàn)纜長(cháng)度5m, Tamb=25°C
可以看出，基于以上工況，同樣的溫度條件下，30mohm的器件輸出電流比40A IGBT提高了10A，哪怕?lián)Q成小一檔的60mohm SiC MOSFET，輸出電流也能提升約5A。而相同電流條件下，SiC MOSFT的溫度明顯降低。
綜上所述，SiC開(kāi)關(guān)器件能為電機驅動(dòng)系統帶來(lái)的益處總結如下：
更低損耗?降低耗電量，讓人們的生活更加環(huán)保、可持續。
性能卓越?實(shí)現更高功率密度，通過(guò)以更小的器件達到相同性能，來(lái)實(shí)現更經(jīng)濟的電機設計。
結構緊湊?實(shí)現更緊湊、更省空間的電機設計，減少材料消耗，降低散熱需求。
更高質(zhì)量?SiC逆變器擁有更長(cháng)使用壽命，且不易出故障，使得制造商能夠提供更長(cháng)的保修期。
最后，英飛凌CoolSiC?能保證單管3us,Easy模塊2us的短路能力，進(jìn)一步保證系統的安全性與可靠性。
（作者： 趙佳，文章來(lái)源：英飛凌工業(yè)半導體）
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