摘要
电机驱动商场特别是家电商场对体系的能效、尺度和稳健性的要求越来越高。
为满意商场需求，意法半导体针对不同的工况供给多种功率开关技能，例如， IGBT和最新的超结功率MOSFET。
本文在实践工况下的一个低功耗电机驱动电路(例如，小功率冰箱压缩机)内测验了根据这两种功率技能的SLLIMM™-nano(小型低损耗智能模压模块)，从电热功能两个方面对这两项技能进行了具体的剖析和比较。
1前语
家电厂商不断地寻求更高的产品能效，以契合日益趋严的能效法规，到达下降能耗和节约电费的意图。更具体地讲，首要需求是下降设备在低负载稳态以及满载工况下的功率损耗。因而，研制高能效开关，特别是在低电流条件下完成高能效，是到达这个商场需求的要害要素，一起也是半导体厂商研制新技能的动力。
由于曩昔几年技能改善获得较大前进，意法半导体最新的功率MOSFET技能可以成功地代替变频电机操控器的IGBT开关，并且在许多运用领域特别是在低负载工况下是首选的功率开关解决方案。
除了对一般能效的继续需求外，整个变频体系规划还需求优化尺度、牢靠性和开发工作量。为满意这些多重方针，在成功推出SLLIMM系列后，意法半导体的SLLIMM-nano产品宗族新增两种不同的功率开关技能：
· IGBT: IGBT: 3/5/8 A、600 V内置超高速二极管的PowerMESH™ 和沟槽场截止IGBT – STGIPNxH60y, STGIPQxH60y
· 超结MOSFET: 3/5 A、600V 内置快速康复二极管N沟道 MDMesh™ DM2 功率MOSFET – STIPQxM60y
从这两项技能中挑选哪一项技能需求考虑多个要素，例如，功率巨细、PWM开关频率、工作温度、操控战略。
本文在小功率压缩机典型工况中对两个不同的SLLIMM-nano智能功率模块进行了具体的电气表征和热功能比较，这两款模块别离选用下面两项开关技能：3 A PowerMESH IGBT (STGIPQ3H60x)和 3 A 超结MOSFET(STIPQ3M60x)。
2电机驱动运用和硬开关换流
电机操控的首要运用包含根据三个半桥的变压变频逆变器。在硬开关换流半桥拓扑内，续流二极管有必要具有低正向偏压和快速反向康复(低 trr 和 Qrr)的特性。电机驱动的典型开关频率是在4 kHz 到 20 kHz范围内，以下降人耳可以听见的噪声。要想优化功率开关的低频功能，首先是开关需具有低通态损耗，其次是低开关损耗。电机驱动器还有必要稳健牢靠，在维护电路激活前，可以长期耐受电压电流骤变。
由于是单极器材，无少量载流子，功率MOSFET的长处是正向偏压(VDS(on))随漏极电流线性下降，关断换流快。另一方面，其固有体硅二极管体现出与分立二极管相同的物理局限性，这是MOSFET结构所造成的。
在IGBT内，电压降(VCE(sat))与集电极电流不是线性关系。在变为通态前会呈现一个阈压，饱满时在某一个集电极电流之上有一个挨近稳定的正向压降。为获得预订的反向康复能耗和正向偏压，可以挑选一起封装的二极管及其尺度。
最终，与IGBT比较，功率MOSFET的通态损耗低，尤其是在低电流时更为明显;关断能耗低，但导通能耗较高。加速体硅二极管的反向康复速度与所用技能工艺有关。
3 意法半导体的电机操控功率开关技能
为满意电机操控的需求，意法半导体以SLLIMM-nano系列产品方式供给多种功率开关技能。
3.1. 内置续流二极管的IGBT
SLLIMM-nano系列产品所用的600 V IGBT选意图法半导体独有的先进的PowerMESH(STGIPQ3H60x) 和沟槽场截止制作工艺 (STGIPQ5C60x, STGIPQ8C60x)。
这些功率器材供给典型的电机操控开关频率，在压降(VCE(sat))和开关能耗(Eon和Eoff)之间获得完美平衡，因而最大极限下降了通态和开关两大损耗源发生的损耗。
IGBT和Turbo 2超高速高压续流二极管安装在同一个封装内，二极管通过优调处理，获得了最好的trr/VF 比和康复软度。
3.2. 超结MOSFET:
SLLIMM-nano系列产品所用的N沟道600 V超结MOSFET选用最新的MDMesh DM2快速二极管技能。改善的寿数操控技能使内部体硅二极管的康复速度更快，软度和稳健性更好。极低的反向康复电荷(Qrr) 和极缩的反向康复时间(trr)以及很低的RDS(on)通态电阻，使其十分适用于高能效电桥拓扑转换器。
图1: 笔直布局结构
4 功率损耗比较
在典型工作温度 Tj = 100 °C范围内，咱们从动静态视点对两款器材进行了比较剖析。在小电流时，MOSFET SLLIMM-nano(显现线性特性)的正向压下降于IGBT模块典型的类似于二极管的正向压降，如图 2所示，从图中不难看出，在电流低于0.7A(平衡点)时，超结MOSFET的静态特性优于PowerMESH IGBT。
另一方面，硬开关转换器在开关导通和关断进程中会发生功率损耗现象，因而，开关损耗也有必要考虑在内。开关损耗的首要诱因是续流二极管的反向康复电荷，在导通进程中导致开关电流升高。
虽然超结MOSFET开关管优化过的体硅二极管大幅下降了能耗，但IGBT仍是可以运用一起封装的超快速二极管下降导通能耗。
图2：输出静态特性比较
5 仿真成果
在下列条件下对STGIPQ3H60x (PowerMESH IGBT)和 STIPQ3M60x (超结MOSFET)进行了仿真比照测验：Vbus = 300 V, fsine = 120 Hz, Tamb = 70 °C, 运用一个开关频率8 kHz的内置矢量操控算法(FOC)的PWM调制器，运用一个12 C/W散热器。
如图3所示，在这些条件下，仿真试验成果证明了功率损耗比较部分剖析的电气特性，突出了在 180 W前超结MOSFET SLLIMM-nano (STIPQ3M60x)的热功能优异，尤其是在较低负载时体现愈加优异，40W时总功率损耗下降40%，让家电设备可以到达更高的能效等级。
图3: 仿真测验成果：逆变器功率损耗比较，Tamb = 70°C
6 定论和未来研制方向
在典型工况的低功率压缩机运用中，PowerMESH IGBT (STGIPQ3H60x)和超结MOSFET(STIPQ3M60x)的仿真成果表明，在低负载下超结STIPQ3M60x热功能体现更好，40W时功率损耗下降18%，使冰箱等家电可以获得更高的能效等级。
为验证这个开始测验成果，咱们还将在相同的测验条件下对一个低功率压缩机驱动器进行台架测验，运用开关频率 8 kHz的内置矢量操控算法(FOC)的PWM调制器。在做这个测验进程中，进步输入DC功率(PIn)，一起调查封装温度，由于封装温度是与总功率损耗相关的热功能发生的。
参考文献
[1] AN4043 – SLLIMM™- nano series small low-loss intelligent molded module
[2] AN4840 – SLLIMM™-nano 2nd series small low-loss intelligent molded module
[3] C. Parisi, G. Belverde, A. Corsaro, “STMicroelectronics Super-Junction and UltraFAST MOSFET vs IGBT technologies in low power motor drives”, PCIM 2017
[4] STGIPQ3H60x datasheet
[5] STIPQ3M60x datasheet
SLLIMM™, PowerMESH™, UltraFASTmesh™, MDmesh™.本文呈现的商标均归各自一切者一切。
