碳化硅如何为电机驱动赋能
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近年来，电力电子领域最重要的发展是所谓的宽禁带(WBG)材料的兴起，即碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。WBG材料的特性有望实现更小、更快、更高效的电力电子产品。WBG功率器件已经对从普通的电源和充电器到太阳能发电和能量存储的广泛应用和拓扑结构产生了影响。SiC功率器件进入市场的时间比氮化镓长，通常用于更高电压、更高功率的应用。 电机在工业应用的总功率中占了相当大的比例。它们被用于暖通空调(HVAC)、重型机器人、物料搬运和许多其他功能。提高电机驱动的能效和可靠性是降低成本的一个重要途径。SiC在高功率工业驱动中的应用越来越多。SiC的独特性能使其成为应对这些挑战的首选电力电子材料。 SiC材料特性 SiC是一种半导体材料，它的带隙(3.26 eV)比硅(1.12 eV)大，对电力电子器件来说有许多有利的特性。 SiC的介电击穿强度比硅高10倍。功率电子开关最重要的功能之一是保持高电压。由于介电强度高，SiC可支持高电压在较短的距离内通过器件。这个距离也是垂直器件中沟道和漏极触点之间的漂移区域。更短的漂移区域降低了器件的电阻，并直接使产生的功率损耗更低。 宽带隙也减少了热激发载流子的数量，导致自由电子减少，漏电流降低。此外，与传统的Si器件相比，漏电流小，而且在更大的温度范围内稳定。这使得SiC MOSFET和二极管成为高温应用的更高效选择。 SiC的热导率比硅高三倍，可实现更好的散热。功率电子器件的散热是系统设计的重要一环。SiC的热导率使开关的工作温度和热应力降低。 最后，SiC的电子饱和速度是硅的两倍，这使得开关速度更快。更快的开关具有更低的开关损耗，可以在更高的脉宽调制(PWM)频率下工作。在一些电源转换拓扑结构中，更高的PWM频率允许使用更小、更轻和更便宜的无源元件，这些元件往往是系统中最大和最昂贵的部分。 制造SiC晶圆(半导体器件的原材料)的过程比制造Si晶圆更具挑战性。硅晶锭可以从熔体中拉出，而碳化硅晶锭必须通过化学气相沉积法在真空室中生长。这是个缓慢的过程，而且要使生长缺陷数可接受是很难的。SiC是一种相对较硬、较脆的材料(通常用于工业切割)，因此，需要特殊的工艺来从晶锭中切割晶圆。 安森美半导体有多个SiC基板的供应协议，可确保产能满足SiC需求的增长。此外，我们正发展SiC基板的内部供应。
图1：宽禁带优势 改进三相逆变器 三相逆变器是可变速高压电动机驱动的传统方案，其硅IGBT与反并联二极管共同封装，用于支持电动机电流换向。三个半桥相位驱动逆变器的三相线圈，以提供正弦电流波形并驱动电动机。 有几种方法可用SiC提高系统的性能。逆变器中浪费的能量由导通损耗和开关损耗组成。SiC器件会影响这两种损耗机制。 用SiC肖特基势垒二极管代替反并联硅二极管变得越来越普遍。Si反向二极管有反向恢复电流，这会增加开关损耗并产生电磁干扰(EMI)。 |
