使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器的能源效率

时间:2022-03-12作者:佚名

摘要

由于电动马达佔工业大部分的耗电量,工业传动的能源效率成为一大关键挑战。因此,半导体製造商必须花费大量心神,来强化转换器阶段所使用功率元件之效能。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)技术,为电力切换领域立下全新的效能标准。

本文将强调出无论就能源效率、散热片尺寸或节省成本方面来看,工业传动不用硅基(Si)绝缘栅双极电晶体(IGBT)而改用碳化硅MOSFET有哪些优点。

1. 导言

目前工业传动通常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,为这个领域另外开闢出全新的可能性。

意法半导体的碳化硅MOSFET技术,不但每单位面积的导通电阻非常之低,切换效能绝佳,而且跟传统的硅基续流二极体(FWD)相比,内接二极体关闭时的反向恢复能量仍在可忽略范围内。

考量到帮浦、风扇和伺服驱动等工业传动都必须持续运转,利用碳化硅MOSFET便有可能提升能源效率,并大幅降低能耗。

本文将比较1200 V碳化硅MOSFET和Si IGBT的主要特色,两者皆採ACEPACK™封装,请见表1。

使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器的能源效率

表1:元件分析

本文将利用意法半导体的PowerStudio软体,将双脉波测试的实验数据和统计测量结果套用在模拟当中。模拟20kW的工业传动,并评估每个解决方案每年所耗电力,还有冷却系统的要求。

2. 主要的技术关键推手和应用限制

以反相器为基础的传动应用,最常见的拓扑就是以6个电源开关连接3个半桥接电桥臂。

每一个半桥接电桥臂,都是以欧姆电感性负载(马达)上的硬开关换流运作,藉此控制它的速度、位置或电磁转距。因为电感性负载的关係,每次换流都需要6个反平行二极体执行续流相位。当下旁(lower side)飞轮二极体呈现反向恢复,电流的方向就会和上旁(upper side)开关相同,反之亦然;因此,开启状态的换流就会电压过衝(overshoot),造成额外的功率耗损。这代表在切换时,二极体的反相恢复对功率损失有很大的影响,因此也会影响整体的能源效率。

跟硅基FWD搭配硅基IGBT的作法相比,碳化硅MOSFET因为反向恢复电流和恢复时间的数值都低很多,因此能大幅减少恢复耗损以及对能耗的影响。

图1和图2分别为50 A-600 VDC状况下,碳化硅MOSFET和硅基IGBT在开启状态下的换流情形。请看蓝色条纹区块,碳化硅MOSFET的反向恢复电流和反向恢复时间都减少很多。开启和关闭期间的换流速度加快可减少开关时的电源耗损,但开关换流的速度还是有一些限制,因为可能造成电磁干扰、电压尖峰和振盪问题恶化。

使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器的能源效率

图1:开启状态的碳化硅MOSFET

使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器的能源效率

图2:开启状态的硅基IGBT

除此之外,影响工业传动的重要参数之一,就是反相器输出的快速换流暂态造成损害的风险。换流时电压变动的比率(dv/dt)较高,马达线路较长时确实会增加电压尖峰,让共模和微分模式的寄生电流更加严重,长久以往可能导致绕组绝缘和马达轴承故障。因此为了保障可靠度,一般工业传动的电压变动率通常在5-10 V/ns。虽然这个条件看似会限制碳化硅MOSFET的实地应用,因为快速换流就是它的主要特色之一,但专为马达控制所量身订做的1200 V 硅基IGBT,其实可以在这些限制之下展现交换速度。在任何一个案例当中,无论图1、图2、图3、图4都显示,跟硅基IGBT相比,碳化硅MOSFET元件开启或关闭时都保证能减少能源耗损,即使是在5 V/ns的强制条件下。

使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器的能源效率

图3:关闭状态的硅基MOSFET

使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器的能源效率

图4:关闭状态的硅基IGBT

3. 静态与动态效能

以下将比较两种技术的静态和动态特质,设定条件为一般运作,接面温度TJ = 110 °C。

图5为两种元件的输出静态电流电压特性曲线(V-I curves)。两相比较可看出无论何种状况下碳化硅MOSFET的优势都大幅领先,因为它的电压呈现线性向前下降。

即使碳化硅MOSFET必须要有VGS = 18 V才能达到很高的RDS(ON),但可保证静态效能远优于硅基IGBT,能大幅减少导电耗损。

使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器的能源效率

图5:比较动态特质

两种元件都已经利用双脉波测试,从动态的角度加以分析。两者的比较是以应用为基础,例如600 V汇流排直流电压,开启和关闭的dv/dt均设定为5 V/ns。

相关阅读

城市的景观亮化照明工程是城市特色的体现

景观亮化照明工程 可以形成一个城市特有的特点及设计风格,全国各地政府部门也都比较关心城市景观亮化的发展趋势状况,为LED亮化照明公司产生了大量机会。做功率大的户外防水开...
2022-10-07
城市的景观亮化照明工程是城市特色的体现

夜景照明的水平能直接反映城市的文明程度

城市夜景照明 是人类对光的有意识利用,从火开始,到今天使用电灯。火光的使用是人类与动物分离的标志之一。城市的出现使人类从野蛮走向文明。因此,人类文明活动与照明有着密...
2022-07-27
夜景照明的水平能直接反映城市的文明程度

建筑照明设计应注意的两个方面

在建筑的户外艺术照明设计 中,能够将不同的建筑单体分析通透,就可以做出更有针对性、操作性和落地性的亮化作品。在灯光设计 之初先考虑并尊重周边的夜间环境,注重建筑自身特...
2022-07-15

如何做好城市亮化中的环境保护

在亮化工程 看来,一个城市的亮化照明,从某种程度上反映了这个城市的经济及精神面貌。由此可以看出一个城市的照明亮化设计 的多么地重要,浅谈下如何做好城市亮化 中的环境保...
2022-07-15

商业广场亮化要怎样进行设计?需要参考什么?

商业广场必须人口密集,交通便利,经济活动集中,文化艺术优秀,科技水平高,商业信息灵通,货源流畅丰富,吸引力和凝聚力强,因此 商业广场亮化 工程 逐渐增多。 商业广场一般...
2022-08-07
商业广场亮化要怎样进行设计?需要参考什么?

热销商品

四氟包覆/FEP/PTFE包覆胶O型圈全氟醛FFKMO型圈耐化学腐蚀氟胶

四氟包覆(FEP/PTFE)O型圈及全氟醚(FFKM)O型圈是高性能密封解决方案,专为极端化学环境设计。FEP或PTFE包覆氟橡胶(FKM)芯材的O型圈兼具外层优异的耐化学腐蚀性、抗溶胀性...
5

领普E3S/E5配套插座面板86型暗装插座多孔五孔空调无边框家用

领普E3S/E5配套插座面板86型暗装插座多孔五孔空调无边框家用,是一款专为现代家庭设计的多功能插座。该款插座采用86型设计,易于安装和适配各种家用电器,无论是台灯、...
11.9

原装博世角磨机GWS6-100/TWS6600/6700转子定子碳刷齿轮/博士配件

原装博世角磨机GWS6-100/TWS6600/6700系列配件,包括转子、定子、碳刷及齿轮等核心部件,均采用博世原厂高品质材料制造,确保与设备完美匹配,保障运行稳定与高效性能。...
3.5

聚氨酯橡胶缓冲垫弹性套联轴器牛筋柱销减震套垫圈弹性垫缓冲胶垫

聚氨酯橡胶缓冲垫弹性套联轴器中的牛筋柱销减震套、垫圈及弹性垫,是一种高性能减震缓冲元件。采用优质聚氨酯橡胶材料制成,兼具高弹性、耐磨损、抗老化及耐油耐酸碱...
0.27

硅胶垫片/硅胶垫/硅胶垫片圆形/硅胶垫圈/橡胶垫片/氟胶垫片

硅胶垫片(又称硅胶垫、硅胶垫圈)是一种由硅橡胶制成的密封材料,具有优异的耐高低温(-60℃~230℃)、耐老化、绝缘和环保无毒特性,广泛用于食品、医疗、电子及家电等领域...
1

网站栏目