英飛凌 | SiC MOSFET用于電機驅動的優勢在哪里

芻狗

低電感電機

低電感電機有許多不同應用，包括大氣隙電機、無槽電機和低泄露感應電機。它們也可被用 在使用PCB定子而非繞組定子的新電機類型中。這些電機需要高開關頻率（50-100kHz）來 維持所需的紋波電流。然而，對于50kHz以上的調制頻率使用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）無 法滿足這些需求，如果是380V系統，硅MOSFET耐壓又不夠，這就為寬禁帶器件開創了新的 機會。

高速電機

由于擁有高基波頻率，這些電機也需要高開關頻率。它們適用于高功率密度電動汽車、高極 數電機、擁有高扭矩密度的高速電機以及兆瓦級高速電機等應用。同樣，IGBT能夠達到的最 高開關頻率受到限制，而通過使用寬禁帶開關器件可能能夠突破這些限制。例如燃料電池中 的空壓機。空壓機最高轉速超過15萬rpm，空壓機電機控制器的輸出頻率超過2500Hz，功 率器件需要很高的開關頻率（超過50kHz），因此SiC-MOSFET是這類應用的首選器件。

惡劣工況

在電機控制逆變器中使用寬禁帶器件有兩個引人關注的益處。第一，它們產生的熱量比硅器 件少，降低了散熱需求。第二，它們能承受更高工作溫度——SiC：600°C，GaN：300°C，而硅芯片能承受的最高工作溫度僅為200°C。雖然SiC產品目前存在一些與封裝有關的問題，導致它們所適用的工作溫度不能超過200°C，但專注于解決這些問題的研究正在進行中。因 此，寬禁帶器件更適合可能面臨惡劣工況的電機應用，比如混合動力電動汽車（HEV）中的 集成電機驅動器、海底和井下應用、空間應用等

傳統的電機驅動中，往往使用IGBT作為開關器件。那么，SiC MOSFET相對于Si IGBT有 哪些優勢，使得它更適合電機驅動應用？

首先，從開關特性角度看，功率器件開關損耗分為開通損耗和關斷損耗。

關斷損耗

IGBT是雙極性器件，導通時電子和空穴共同參與導電，但關斷時由于空穴，只能通過復合逐 漸消失，從而產生拖尾電流，拖尾電流是造成IGBT關斷損耗的大的主要原因。SiC MOSFET 是單極性器件，只有電子參與導電，關斷時沒有拖尾電流使得SiC MOSFET關斷損耗大大低于
IGBT。

開通損耗

IGBT開通瞬間電流往往會有過沖，這是反并聯二極管換流時產生的反向恢復電流。反向恢復 電流疊加在IGBT開通電流上，增加了器件的開通損耗。IGBT的反并聯二極管往往是Si PiN二 極管，反向恢復電流比較明顯。而SiC MOSFET的結構里天然集成了一個體二極管，無需額外 并聯二極管。SiC體二極管參與換流，它的反向恢復電流要遠低于IGBT反并聯的硅PiN二極 管，因此，即使在同樣的dv/dt條件下，SiC MOSFET的開通損耗也低于IGBT。另外，SiC MOSFET可以使得伺服驅動器與電機集成在一起，從而摒除線纜上dv/dt的限制，高dV/dt條
件下，SiC的開關損耗會進一步降低，遠低于IGBT。即使是開關過程較慢時，碳化硅的開關損 耗也優于IGBT。

此外，SiC MOSFET的開關損耗基本不受溫度影響，而IGBT的開關損耗隨溫度上升而明顯增加。因此高溫下SiC MOSFET的損耗更具優勢。

再考慮dv/dt的限制，相同dv/dt條件下，高溫下SiC MOSFET總開關損耗會有50%~60%的降低，如果不限制dv/dt，SiC開關總損耗最高降低90%。

從導通特性角度看：

SiC MOSFET導通時沒有拐點，很小的VDS電壓就能讓SiC MOSFET導通，因此在小電流條件下，SiC MOSFET的導通電壓遠小于IGBT。大電流時IGBT導通損耗更低，這是由于隨著器件壓降上升，雙極性器件IGBT開始導通，由于電導調制效應，電子注入激發更多的空穴，電流迅速上升，輸出特性的斜率更陡。對應電機工況，在輕載條件下，SiC MOSFET具有更低的導通損耗。重載或加速條件下，SiC MOSFET導通損耗的優勢會有所降低。

CoolSiC™ MOSFET在各種工況下導通損耗降低，

假定以下工況，對比三款器件：

IGBT IKW40N120H3，

SiC MOSFET IMW120R060M1H和IMW120R030M1H。

測試條件

Vdc=600V, VN,out=400V, IN,out=5A–25A, fN,sin-out=50Hz, fsw=4-16kHz, Tamb=25°C, cos(φ)N=0.9, Rth,HA=0.63K/W, dv/dt=5V/ns

M=1,Vdc=600V, fsin=50Hz, RG@dv/dt=5V/ns, fsw=8kHz，線纜長度5m, Tamb=25°C

可以看出，基于以上工況，同樣的溫度條件下，30mohm的器件輸出電流比40A IGBT提高了10A，哪怕換成小一檔的60mohm SiC MOSFET，輸出電流也能提升約5A。而相同電流條件下，SiC MOSFT的溫度明顯降低。買元器件現貨上唯樣商城！

綜上所述，SiC開關器件能為電機驅動系統帶來的益處總結如下：更低損耗‒降低耗電量，讓人們的生活更加環保、可持續。

性能卓越‒實現更高功率密度，通過以更小的器件達到相同性能，來實現更經濟的電機設計。

結構緊湊‒實現更緊湊、更省空間的電機設計，減少材料消耗，降低散熱需求。

更高質量‒SiC逆變器擁有更長使用壽命，且不易出故障，使得制造商能夠提供更長的保修期。

最后，英飛凌CoolSiC™能保證單管3us,Easy模塊2us的短路能力，進一步保證系統的安全性與可靠性