本文将强调出不管就动力功率、散热片尺度或节约本钱方面来看,工业传动不必硅基(Si)绝缘栅双极电晶体(IGBT)而改用碳化硅MOSFET有哪些长处。
摘要
由于电动马达佔工业大部分的耗电量,工业传动的动力功率成为一大要害应战。因而,半导体製造商有必要花费许多心神,来强化转换器阶段所运用功率元件之效能。意法半导体(ST)最新的碳化硅金属氧化物半导体场效电晶体(SiC MOSFET)技能,为电力切换范畴立下全新的效能规范。
1.导语
现在工业传动一般採用一般所熟知的硅基IGBT反相器(inverter),但最近开发的碳化硅MOSFET元件,为这个范畴别的开闢出全新的或许性。
意法半导体的碳化硅MOSFET技能,不光每单位面积的导通电阻十分之低,切换效能绝佳,并且跟传统的硅基续流二极体(FWD)比较,内接二极体封闭时的反向康复能量仍在可疏忽范围内。
考量到帮浦、电扇和伺服驱动等工业传动都有必要继续工作,使用碳化硅MOSFET便有或许提高动力功率,并大幅下降能耗。
本文将比较1200 V碳化硅MOSFET和Si IGBT的首要特征,两者皆採ACEPACK™封装,请见表1。
本文将使意图法半导体的PowerStudio软体,将双脉波测验的试验数据和计算丈量成果套用在模仿傍边。模仿20kW的工业传动,并评价每个解决方案每年所耗电力,还有冷却系统的要求。
表1:元件剖析
图1:敞开情况的碳化硅MOSFET
2.首要的技能要害推手和使用约束
以反相器为根底的传动使用,最常见的拓扑便是以6个电源开关衔接3个半桥接电桥臂。
每一个半桥接电桥臂,都是以欧姆电理性负载(马达)上的硬开关换流运作,藉此操控它的速度、方位或电磁转距。由于电理性负载的关係,每次换流都需求6个反平行二极体履行续流相位。当下旁(lower side)飞轮二极体出现反向康复,电流的方向就会和上旁(upper side)开关相同,反之亦然;因而,敞开情况的换流就会电压过衝(overshoot),形成额定的功率耗费。这代表在切换时,二极体的反相康复对功率丢失有很大的影响,因而也会影响全体的动力功率。
跟硅基FWD调配硅基IGBT的作法比较,碳化硅MOSFET由于反向康复电流和康复时间的数值都低许多,因而能大幅削减康复耗费以及对能耗的影响。
图2:敞开情况的硅基IGBT
图1和图2分别为50 A-600 VDC情况下,碳化硅MOSFET和硅基IGBT在敞开情况下的换流景象。请看蓝色条纹区块,碳化硅MOSFET的反向康复电流和反向康复时间都削减许多。敞开和封闭期间的换流速度加速可削减开关时的电源耗费,但开关换流的速度仍是有一些约束,由于或许形成电磁搅扰、电压尖峰和振盪问题恶化。
除此之外,影响工业传动的重要参数之一,便是反相器输出的快速换流暂态形成危害的危险。换流时电压变化的比率(dv/dt)较高,马达线路较长时的确会添加电压尖峰,让共模和微分形式的寄生电流愈加严峻,持久以往或许导致绕组绝缘和马达轴承毛病。因而为了确保牢靠度,一般工业传动的电压变化率一般在5-10 V/ns。尽管这个条件看似会约束碳化硅MOSFET的实地使用,由于快速换流便是它的首要特征之一,但专为马达操控所量身订做的1200 V 硅基IGBT,其实能够在这些约束之下展示交流速度。在任何一个事例傍边,不管图1、图2、图3、图4都显现,跟硅基IGBT比较,碳化硅MOSFET元件敞开或封闭时都确保能削减动力耗费,即使是在5 V/ns的强制条件下。
图3:封闭情况的硅基MOSFET
图4:封闭情况的硅基IGBT
