在當(dāng)今的電子應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅器件已經(jīng)在多個(gè)方面取得了商業(yè)上的成功。碳化硅 MOSFET 已被證實(shí)是硅 IGBT 在太陽(yáng)能、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電器和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的可行商業(yè)替代品。在這些應(yīng)用中，效率的提升以及濾波器尺寸的減小足以抵消半導(dǎo)體材料成本的增加。一直以來(lái)，工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要以對(duì)低成本、堅(jiān)固耐用的功率半導(dǎo)體的需求為主導(dǎo)，對(duì)器件級(jí)效率的關(guān)注度相對(duì)較低。然而，隨著能源成本的不斷上升，以及對(duì)電流諧波和二氧化碳排放的監(jiān)管要求日益嚴(yán)格，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始積極尋找更高效率的解決方案。與此同時(shí)，大規(guī)模生產(chǎn)的、具備短路能力的碳化硅功率器件逐漸普及，這使得碳化硅在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有了廣闊的應(yīng)用空間。賽米控丹佛斯通過(guò)對(duì)兩種不同類型的變頻器進(jìn)行研究，得以在不同的電路位置檢驗(yàn)碳化硅的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

一、線側(cè)（低諧波 / 再生驅(qū)動(dòng)）

現(xiàn)代高性能變頻器通常采用有源前端（AFE），用有源器件替代無(wú)源整流器進(jìn)行線路連接，主要基于以下兩個(gè)原因。其一，能夠解決變頻器對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波問(wèn)題。三相橋式有源器件可以與電源頻率同步，從電源中吸取接近單位功率因數(shù)的正弦波電流。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅能滿足諧波要求（如美國(guó)的 IEEE 519 標(biāo)準(zhǔn)），還能提高電網(wǎng)利用率。隨著工業(yè)應(yīng)用的持續(xù)電氣化，這一問(wèn)題變得愈發(fā)重要。其二，AFE 能夠?qū)⒛芰炕仞伒诫娋W(wǎng)。在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能量的應(yīng)用場(chǎng)景中，這一特性非常有益，否則這些能量只能通過(guò)被動(dòng)制動(dòng)電阻來(lái)耗散。這類應(yīng)用涵蓋了伺服驅(qū)動(dòng)、起重機(jī)、電梯、自動(dòng)扶梯、下坡輸送機(jī)、測(cè)功機(jī)等眾多領(lǐng)域。

簡(jiǎn)單的 AFE 通常使用如圖 1 所示的電路。對(duì)于此類電路，用碳化硅 MOSFET 替代 IGBT 及對(duì)應(yīng)的續(xù)流二極管可為整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)諸多好處。以一個(gè)完整的 20kW（27 馬力）AFE 驅(qū)動(dòng)器為例，其運(yùn)行參數(shù)如下：

在此次比較中，標(biāo)準(zhǔn)硅 IGBT 功率模塊采用了一代（第七代）的 1200V/50A IGBT，選定的碳化硅 MOSFET 功率模塊使用了 1200V/18mΩ MOSFET。兩種模塊均采用賽米控丹佛斯的 SEMITOP E1 封裝。在模擬過(guò)程中，將碳化硅的開(kāi)關(guān)頻率提高，直至其結(jié)溫與硅器件相同。

表 1：模擬的 AFE 應(yīng)用比較

即便在四倍的載波頻率下，碳化硅器件在每個(gè)三相電路中的總損耗仍降低了 34%。此外，對(duì) LCL 濾波器的尺寸產(chǎn)生了直接影響。更高的開(kāi)關(guān)頻率減少了所需的電感和電容，電感器的總重量幾乎減半，總體積減少了 70%。雖然碳化硅功率模塊的成本高于硅器件，但從系統(tǒng)的總擁有成本來(lái)看：更小的驅(qū)動(dòng)器體積和重量可減少運(yùn)輸、包裝和存儲(chǔ)空間，更便于安裝，還能減小面板和安裝空間；降低功率損耗可實(shí)現(xiàn)節(jié)能和成本降低，同時(shí)降低冷卻需求。從更廣泛的角度來(lái)看，碳化硅（SiC）帶來(lái)的巨大優(yōu)勢(shì)不僅彌補(bǔ)了組件成本，而且在 AFE 應(yīng)用中，還能在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)帶來(lái)顯著的成本效益。

二、逆變器側(cè)（傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器）

驅(qū)動(dòng)器的逆變器側(cè)連接到電機(jī)，在應(yīng)用碳化硅器件時(shí)面臨更多挑戰(zhàn)。與 AFE 示例相比，這里需要考慮一些限制和關(guān)鍵要求：逆變器必須能夠承受短路；dv/dt 必須限制在一定范圍內(nèi)（例如，<5kV/μs），以避免對(duì)電機(jī)造成損壞；開(kāi)關(guān)頻率需要受到限制，以確保驅(qū)動(dòng)損耗在可接受的水平，并避免在屏蔽電機(jī)電纜中產(chǎn)生過(guò)大的漏電流。

碳化硅 MOSFET 的短路能力一直是備受關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。不過(guò)，隨著一代產(chǎn)品的推出，現(xiàn)有的碳化硅器件能夠承受幾微秒的短路，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)用中無(wú)法通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小磁性元件的設(shè)計(jì)。盡管如此，碳化硅仍然具有一定優(yōu)勢(shì)。以一個(gè)典型的 15kW（20HP）電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，其參數(shù)通常適用于可變扭矩應(yīng)用：

用于比較的標(biāo)準(zhǔn)硅 IGBT 功率模塊采用了一代（第七代）1200V/35A IGBT，封裝形式為 SEMITOP E2。所選的碳化硅 MOSFET 功率模塊使用了 1200V/18mΩ MOSFET，這是來(lái)自 ROHM Semiconductor 的第四代產(chǎn)品，在賽米控丹佛斯功率模塊中使用時(shí)，具有 2μs 的短路能力（VG = 18V，Tj = 150°C，VDC = 720V）。對(duì)于這兩個(gè)示例模塊，選擇外部柵極電阻將 dv/dt 限制在 5kV/μs。

該應(yīng)用用于驅(qū)動(dòng)具有二次方轉(zhuǎn)矩特性的離心泵，如圖 3 所示。泵實(shí)際上主要在 40% 到 80% 的速度范圍內(nèi)運(yùn)行，這一運(yùn)行區(qū)域?qū)?yīng)于碳化硅 MOSFET 導(dǎo)通損耗較低的電流范圍。

相比于硅 IGBT，MOSFET 在開(kāi)關(guān)損耗方面具有四倍的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樘蓟璧拈_(kāi)關(guān)損耗更低。當(dāng) MOSFET 的 dv/dt 降低到 5kV/μs 時(shí)，與 IGBT 解決方案相比，其在開(kāi)關(guān)損耗方面的優(yōu)勢(shì)有所減小。然而，由于其線性的正向特性，MOSFET 的導(dǎo)通損耗更低。

這些圖表展示了整個(gè) 15kW 驅(qū)動(dòng)器（包括二極管前端、直流母線電容器、逆變器）的損耗和效率，分別對(duì)應(yīng)硅 IGBT（灰色）和碳化硅 MOSFET（紅色）。結(jié)果顯示，在整個(gè)適用的速度范圍內(nèi)，碳化硅在損耗方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。在低速時(shí)，配備碳化硅的驅(qū)動(dòng)器比硅版本的損耗低 7%，在全速時(shí)損耗低 22%。這相當(dāng)于在低速時(shí)總效率提高了 0.6%，在高速時(shí)提高了 0.5%。這些效率提升可以通過(guò)查看驅(qū)動(dòng)器在不同操作速度下的時(shí)間分布轉(zhuǎn)化為實(shí)際的年度能耗節(jié)省。圖 5 中的年度負(fù)載估計(jì)基于工業(yè)泵驅(qū)動(dòng)器的典型應(yīng)用。如果計(jì)算每個(gè)負(fù)載點(diǎn)的損耗，就可以為每種驅(qū)動(dòng)器計(jì)算出一年內(nèi)的總能耗。

一年內(nèi)，配備碳化硅的驅(qū)動(dòng)器僅消耗了 377 千瓦時(shí)的累計(jì)能源支出，而配備硅（Si）的驅(qū)動(dòng)器則消耗了 651 千瓦時(shí)。這種能源消耗減少 42% 具有實(shí)際的環(huán)境和財(cái)務(wù)影響。根據(jù) 2023 年混合標(biāo)準(zhǔn)，溫室氣體排放每年可減少 125 公斤二氧化碳。在像德國(guó)這樣的國(guó)家（2023 年電價(jià)為 0.20 歐元 / 千瓦時(shí)），配備碳化硅的驅(qū)動(dòng)器增加的成本在一年內(nèi)就能得到補(bǔ)償；而在美國(guó)這樣電費(fèi)顯著較低的國(guó)家，不到三年就能收回成本。

此外，使用碳化硅還具有物理上的優(yōu)勢(shì)。由于碳化硅的半導(dǎo)體功率損耗較低，在相同溫升的情況下，散熱器體積可減少多達(dá) 71%。對(duì)于工業(yè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，這意味著可以減少氣流和冷卻風(fēng)扇的數(shù)量。同時(shí)，安裝驅(qū)動(dòng)器的面板和機(jī)柜可以更小更輕，從而降低材料、物流和安裝成本。相反，如果保持相同的熱設(shè)計(jì)，給定電機(jī)驅(qū)動(dòng)框架尺寸的輸出功率可以增加多達(dá) 25%。

三、碳化硅功率模塊

為了滿足驅(qū)動(dòng)制造商的需求，賽米控丹佛斯提供了常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和封裝形式的碳化硅功率模塊。SEMITOP E、MiniSKiiP 和 SEMITRANS Classic 都配備了來(lái)自 ROHM 的第四代碳化硅 MOSFET，具有短路能力和單極性柵極控制功能。這些器件與現(xiàn)有的硅器件引腳兼容，并配備了高性能的預(yù)涂覆熱界面材料。為了獲得的功率循環(huán)可靠性，MiniSKiiP 封裝中提供了燒結(jié)芯片，這些改進(jìn)使得碳化硅能夠在具有嚴(yán)重過(guò)載峰值的應(yīng)用中使用，如伺服或機(jī)器人驅(qū)動(dòng)。