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使用碳化硅MOSFET提升工業驅動器的能源效率

作者:意法半導體Carmelo Parisi,Antonino Raciti,Angelo Sciacc時間:2020-06-04來源:電子產品世界收藏

本文將強調出無論就能源效率、散熱片尺寸或節省成本方面來看,工業傳動不用硅基(Si)絕緣柵雙極電晶體()而改用碳化硅MOSFET有哪些優點。

本文引用地址:http://www.ofia.com.cn/article/202006/413890.htm

摘要

由于電動馬達佔工業大部分的耗電量,工業傳動的能源效率成為一大關鍵挑戰。因此,半導體製造商必須花費大量心神,來強化轉換器階段所使用功率元件之效能。意法半導體()最新的碳化硅金屬氧化物半導體場效電晶體(SiC MOSFET)技術,為電力切換領域立下全新的效能標準。

1.導言

目前工業傳動通常採用一般所熟知的硅基反相器(inverter),但最近開發的碳化硅MOSFET元件,為這個領域另外開闢出全新的可能性。

意法半導體的碳化硅MOSFET技術,不但每單位面積的導通電阻非常之低,切換效能絕佳,而且跟傳統的硅基續流二極體()相比,內接二極體關閉時的反向恢復能量仍在可忽略范圍內。

考量到幫浦、風扇和伺服驅動等工業傳動都必須持續運轉,利用碳化硅MOSFET便有可能提升能源效率,并大幅降低能耗。

本文將比較1200 V碳化硅MOSFET和Si 的主要特色,兩者皆採ACEPACK?封裝,請見表1。

本文將利用意法半導體的PowerStudio軟體,將雙脈波測試的實驗數據和統計測量結果套用在模擬當中。模擬20kW的工業傳動,并評估每個解決方案每年所耗電力,還有冷卻系統的要求。

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表1:元件分析

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圖1:開啟狀態的碳化硅MOSFET

2.主要的技術關鍵推手和應用限制

以反相器為基礎的傳動應用,最常見的拓撲就是以6個電源開關連接3個半橋接電橋臂。

每一個半橋接電橋臂,都是以歐姆電感性負載(馬達)上的硬開關換流運作,藉此控制它的速度、位置或電磁轉距。因為電感性負載的關係,每次換流都需要6個反平行二極體執行續流相位。當下旁(lower side)飛輪二極體呈現反向恢復,電流的方向就會和上旁(upper side)開關相同,反之亦然;因此,開啟狀態的換流就會電壓過衝(overshoot),造成額外的功率耗損。這代表在切換時,二極體的反相恢復對功率損失有很大的影響,因此也會影響整體的能源效率。

跟硅基搭配硅基IGBT的作法相比,碳化硅MOSFET因為反向恢復電流和恢復時間的數值都低很多,因此能大幅減少恢復耗損以及對能耗的影響。

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圖2:開啟狀態的硅基IGBT

圖1和圖2分別為50 A-600 VDC狀況下,碳化硅MOSFET和硅基IGBT在開啟狀態下的換流情形。請看藍色條紋區塊,碳化硅MOSFET的反向恢復電流和反向恢復時間都減少很多。開啟和關閉期間的換流速度加快可減少開關時的電源耗損,但開關換流的速度還是有一些限制,因為可能造成電磁干擾、電壓尖峰和振盪問題惡化。

除此之外,影響工業傳動的重要參數之一,就是反相器輸出的快速換流暫態造成損害的風險。換流時電壓變動的比率(dv/dt)較高,馬達線路較長時確實會增加電壓尖峰,讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴重,長久以往可能導致繞組絕緣和馬達軸承故障。因此為了保障可靠度,一般工業傳動的電壓變動率通常在5-10 V/ns。雖然這個條件看似會限制碳化硅MOSFET的實地應用,因為快速換流就是它的主要特色之一,但專為馬達控制所量身訂做的1200 V 硅基IGBT,其實可以在這些限制之下展現交換速度。在任何一個案例當中,無論圖1、圖2、圖3、圖4都顯示,跟硅基IGBT相比,碳化硅MOSFET元件開啟或關閉時都保證能減少能源耗損,即使是在5 V/ns的強制條件下。

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圖3:關閉狀態的硅基MOSFET

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圖4:關閉狀態的硅基IGBT


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關鍵詞: MOSEFT FWD ST IGBT

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