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使用SiC MOSFET提高工业驱动器能效

2022-10-19 14:26:51 Stefano Lovati 阅读:
在工业电力应用中,电子设计人员可以通过使用碳化硅基晶体管(SiC MOSFET)获得巨大的好处,与传统的IGBT等硅基解决方案相比,SiC MOSFET具有显著的效率提升、更小的散热器尺寸和更低的成本等优势。

工业电力应用基于大功率电机,在风扇、泵、伺服驱动器、压缩机、缝纫机和冰箱中随处可见。三相电机是最常见的电机类型,它采用基于逆变器的驱动器进行驱动。它可以满足一个行业60%的全部电力需求,因此就必须提高驱动器的效率水平。SVQednc

在工业电力应用中,电子设计人员可以通过使用碳化硅基晶体管(SiC MOSFET)获得巨大的好处,与传统的IGBT等硅基解决方案相比,SiC MOSFET具有显著的效率提升、更小的散热器尺寸和更低的成本等优势。碳化硅技术可以在关断体二极管后所发生的反向恢复阶段获得非常低的单位面积RDS(ON)、高开关频率和可忽略的能量损耗。SVQednc

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基于逆变器的驱动器

最常见的基于三相逆变器的驱动电路如1所示。这种广泛用于工业级的拓扑基于两电平三相逆变器,取决于功率要求,主要使用分立式IGBT或IGBT功率模块,外加续流二极管。六个功率晶体管连接在三个半桥臂中,为电机或其他负载产生三相交流电。为了能够控制其速度、位置和电磁转矩,每个半桥都被迫以特定频率在欧姆电感负载(电机)上进行开关。SVQednc

IGBT晶体管是少数载流子器件,具有高输入阻抗和大双极载流能力。在电机控制应用中,由于感性负载特性,通常需要添加反并联二极管或续流二极管以获得全功能开关,尽管在某些特殊情况下不需要使用续流二极管。续流二极管与功率晶体管并联放置,连接在集电极端子和发射极端子之间,用来传导反向电流。这些二极管是必需的,因为在关断感应负载电流时,如果没有提供合适的通路,就会产生高电压峰值。这就会反过来破坏电源开关。由于其特殊结构,IGBT晶体管不像MOSFET那样具有寄生二极管。续流二极管可以单片集成,也可以作为分立二极管添加到IGBT封装之外。SVQednc

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图1:基于两级三相逆变器的驱动器。(图片来源:ST)SVQednc

当下侧续流二极管反向恢复时,其电流方向与上侧开关相同,反之亦然;因此,导通换向会发生超调,这会产生额外的功率损耗,从而影响整体效率。SiC MOSFET由于反向恢复电流和反向时间大大降低,因此恢复损耗大大减少,这与将硅基IGBT和续流二极管合封的方式相比,效率显著提高。SVQednc

导通/关断换向要求

在工业驱动器中,必须特别注意导通和关断换向速度。事实上,SiC MOSFET的dv/dt可以达到比IGBT高得多的水平。如果处理不当,高换向dv/dt会增加长电机电缆上的电压尖峰,并可能产生共模和差模寄生电流,随着时间的推移,这就会导致绕组绝缘和电机轴承出现故障。尽管更快的导通/关断速度可以提高效率,但由于前面提到的可靠性原因,工业驱动器中的典型dv/dt通常设置为5~10V/ns。SVQednc

意法半导体(ST)对两个相似的1.2kV功率晶体管——一个SiC MOSFET和一个硅基IGBT——进行了比较,结果表明SiC MOSFET器件与Si IGBT相比,即使在5V/ns的外加条件下也能保证更少的导通和关断能量损耗。SVQednc

静态和动态特性

使用相同类型的晶体管,ST进行的分析也可以比较静态和动态操作下的特性(或电压电流)曲线。2所示的静态特性曲线是在结温TJ=125℃条件下所获。从这两条曲线的比较来看,SiC解决方案提供的显著优势体现在整个电压和电流范围内,这主要归功于它的线性正向压降。相反,IGBT则表现出非线性压降——VCE(sat)——其本身取决于集电极电流。SVQednc

在电流约40A时达到临界点:低于此值,SiC MOSFET的传导损耗低于IGBT。这是因为SiC MOSFET由于其线性静态特性利用了静态损耗。而且,即使SiC MOSFET需要提供VGS=18V以实现优异的RDS(ON),它也可以提供比硅基IGBT更好的静态性能,从而显著降低传导损耗。SVQednc

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图2:SiC MOSFET和IGBT VI曲线比较。(图片来源:ST)SVQednc

ST利用双脉冲测试,从动态角度对两种器件进行了分析。此特定测试的目的是在导通和关断条件下提供动态损耗测量。获得的结果指出,即使在5V/ns条件下,SiC MOSFET在分析的整个电流范围内显示出较低的(约-50%)的导通和关断能量。在50V/ns时,SiC MOSFET可进一步降低损耗。IGBT无法达到如此高的换向速度。SVQednc

电热仿真

为了比较SiC MOSFET和Si IGBT在典型工业驱动应用中的性能,电热仿真是较好的选择。关于ST的分析,这个仿真是使用他们的专有软件工具PowerStudio进行的。该软件提供了全面的功率和热分析,能够预测器件性能,缩短解决方案设计时间并节省时间和资源。此外,该工具有助于选择适合应用任务配置文件的合适器件。SVQednc

ST PowerStudio针对每个器件基于非常精确的内置电气和热模型,由于考虑到自加热效应的迭代计算,它提供了高度准确的功率损耗、结温和外壳温度的估计。用PowerStudio进行的ST电热仿真已经证明,使用SiC MOSFET可以实现更高的能效,从而降低任何散热器的散热要求,进而降低重量,节约空间和成本。与硅IGBT相比,SiC MOSFET解决方案在静态和动态条件以及开关和二极管方面提供了更低的总功率损耗。SVQednc

(原文刊登于EDN姐妹网站Power Electronics News,参考链接:Industrial Drive Enhanced Energy Efficiency with SiC MOSFETs,由Franklin Zhao编译。)SVQednc

本文为《电子技术设计》2022年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里SVQednc

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