精品文檔-下載后可編輯使用碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅(qū)動器的能源效率-基礎(chǔ)電子由于電動馬達(dá)佔工業(yè)大部分的耗電量，工業(yè)傳動的能源效率成為一大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。因此，半導(dǎo)體製造商必須花費大量心神，來強化轉(zhuǎn)換器階段所使用功率元件之效能。意法半導(dǎo)體（ST）的碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（SiCMOSFET）技術(shù)，為電力切換領(lǐng)域立下全新的效能標(biāo)準(zhǔn)。

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

1．導(dǎo)言

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

意法半導(dǎo)體的碳化硅MOSFET技術(shù)，不但每單位面積的導(dǎo)通電阻非常之低，切換效能，而且跟傳統(tǒng)的硅基續(xù)流二極體（FWD）相比，內(nèi)接二極體關(guān)閉時的反向恢復(fù)能量仍在可忽略范圍內(nèi)。

考量到幫浦、風(fēng)扇和伺服驅(qū)動等工業(yè)傳動都必須持續(xù)運轉(zhuǎn)，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1200V碳化硅MOSFET和SiIGBT的主要特色，兩者皆採ACEPACK?封裝，請見表1。

表1：元件分析

本文將利用意法半導(dǎo)體的PowerStudio軟體，將雙脈波測試的實驗數(shù)據(jù)和統(tǒng)計測量結(jié)果套用在模擬當(dāng)中。模擬20kW的工業(yè)傳動，并評估每個解決方案每年所耗電力，還有冷卻系統(tǒng)的要求。

2．主要的技術(shù)關(guān)鍵推手和應(yīng)用限制

以反相器為基礎(chǔ)的傳動應(yīng)用，常見的拓?fù)渚褪且?個電源開關(guān)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(fù)載（馬達(dá)）上的硬開關(guān)換流運作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉(zhuǎn)距。因為電感性負(fù)載的關(guān)係，每次換流都需要6個反平行二極體執(zhí)行續(xù)流相位。當(dāng)下旁（lowerside）飛輪二極體呈現(xiàn)反向恢復(fù)，電流的方向就會和上旁（upperside）開關(guān)相同，反之亦然；因此，開啟狀態(tài)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(fù)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FWD搭配硅基IGBT的作法相比，碳化硅MOSFET因為反向恢復(fù)電流和恢復(fù)時間的數(shù)值都低很多，因此能大幅減少恢復(fù)耗損以及對能耗的影響。

圖1和圖2分別為50A－600VDC狀況下，碳化硅MOSFET和硅基IGBT在開啟狀態(tài)下的換流情形。請看藍(lán)色條紋區(qū)塊，碳化硅MOSFET的反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時間都減少很多。開啟和關(guān)閉期間的換流速度加快可減少開關(guān)時的電源耗損，但開關(guān)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。

圖1：開啟狀態(tài)的碳化硅MOSFET

圖2：開啟狀態(tài)的硅基IGBT

除此之外，影響工業(yè)傳動的重要參數(shù)之一，就是反相器輸出的快速換流暫態(tài)造成損害的風(fēng)險。換流時電壓變動的比率（dv／dt）較高，馬達(dá)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(yán)重，長久以往可能導(dǎo)致繞組絕緣和馬達(dá)軸承故障。因此為了保障可靠度，一般工業(yè)傳動的電壓變動率通常在5－10V／ns。雖然這個條件看似會限制碳化硅MOSFET的實地應(yīng)用，因為快速換流就是它的主要特色之一，但專為馬達(dá)控制所量身訂做的1200V硅基IGBT，其實可以在這些限制之下展現(xiàn)交換速度。在任何一個當(dāng)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(guān)閉時都保證能減少能源耗損，即使是在5V／ns的強制條件下。

圖3：關(guān)閉狀態(tài)的硅基MOSFET

圖4：關(guān)閉狀態(tài)的硅基IGBT

3．靜態(tài)與動態(tài)效能

以下將比較兩種技術(shù)的靜態(tài)和動態(tài)特質(zhì)，設(shè)定條件為一般運作，接面溫度TJ＝110°C。

圖5為兩種元件的輸出靜態(tài)電流電壓特性曲線（V－Icurves）。兩相比較可看出無論何種狀況下碳化硅MOSFET的優(yōu)勢都大幅，因為它的電壓呈現(xiàn)線性向前下降。

即使碳化硅MOSFET必須要有VGS＝18V才能達(dá)到很高的RDS（ON），但可保證靜態(tài)效能遠(yuǎn)優(yōu)于硅基IGBT，能大幅減少導(dǎo)電耗損。