【導讀】由于電動(dòng)馬達佔工業(yè)大部分的耗電量，工業(yè)傳動(dòng)的能源效率成為一大關(guān)鍵挑戰。因此，半導體製造商必須花費大量心神，來(lái)強化轉換器階段所使用功率元件之效能。意法半導體（ST）最新的碳化硅金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體（SiC MOSFET）技術(shù)，為電力切換領(lǐng)域立下全新的效能標準。
本文將強調出無(wú)論就能源效率、散熱片尺寸或節省成本方面來(lái)看，工業(yè)傳動(dòng)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(diǎn)。
1. 導言
目前工業(yè)傳動(dòng)通常採用一般所熟知的硅基IGBT反相器（inverter），但最近開(kāi)發(fā)的碳化硅MOSFET元件，為這個(gè)領(lǐng)域另外開(kāi)闢出全新的可能性。
意法半導體的碳化硅MOSFET技術(shù)，不但每單位面積的導通電阻非常之低，切換效能絕佳，而且跟傳統的硅基續流二極體（FWD）相比，內接二極體關(guān)閉時(shí)的反向恢復能量仍在可忽略范圍內。
考量到幫浦、風(fēng)扇和伺服驅動(dòng)等工業(yè)傳動(dòng)都必須持續運轉，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1200 V碳化硅MOSFET和Si IGBT的主要特色，兩者皆?huà)馎CEPACK™封裝，請見(jiàn)表1。
表1：元件分析
本文將利用意法半導體的PowerStudio軟體，將雙脈波測試的實(shí)驗數據和統計測量結果套用在模擬當中。模擬20kW的工業(yè)傳動(dòng)，并評估每個(gè)解決方案每年所耗電力，還有冷卻系統的要求。
2. 主要的技術(shù)關(guān)鍵推手和應用限制
以反相器為基礎的傳動(dòng)應用，最常見(jiàn)的拓撲就是以6個(gè)電源開(kāi)關(guān)連接3個(gè)半橋接電橋臂。
每一個(gè)半橋接電橋臂，都是以歐姆電感性負載（馬達）上的硬開(kāi)關(guān)換流運作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉距。因為電感性負載的關(guān)係，每次換流都需要6個(gè)反平行二極體執行續流相位。當下旁（lower side）飛輪二極體呈現反向恢復，電流的方向就會(huì )和上旁（upper side）開(kāi)關(guān)相同，反之亦然；因此，開(kāi)啟狀態(tài)的換流就會(huì )電壓過(guò)衝（overshoot），造成額外的功率耗損。這代表在切換時(shí)，二極體的反相恢復對功率損失有很大的影響，因此也會(huì )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因為反向恢復電流和恢復時(shí)間的數值都低很多，因此能大幅減少恢復耗損以及對能耗的影響。
圖1和圖2分別為50 A-600 VDC狀況下，碳化硅MOSFET和硅基IGBT在開(kāi)啟狀態(tài)下的換流情形。請看藍色條紋區塊，碳化硅MOSFET的反向恢復電流和反向恢復時(shí)間都減少很多。開(kāi)啟和關(guān)閉期間的換流速度加快可減少開(kāi)關(guān)時(shí)的電源耗損，但開(kāi)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(wèn)題惡化。
圖1：開(kāi)啟狀態(tài)的碳化硅MOSFET
圖2：開(kāi)啟狀態(tài)的硅基IGBT
除此之外，影響工業(yè)傳動(dòng)的重要參數之一，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(shí)電壓變動(dòng)的比率（dv/dt）較高，馬達線(xiàn)路較長(cháng)時(shí)確實(shí)會(huì )增加電壓尖峰，讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴重，長(cháng)久以往可能導致繞組絕緣和馬達軸承故障。因此為了保障可靠度，一般工業(yè)傳動(dòng)的電壓變動(dòng)率通常在5-10 V/ns。雖然這個(gè)條件看似會(huì )限制碳化硅MOSFET的實(shí)地應用，因為快速換流就是它的主要特色之一，但專(zhuān)為馬達控制所量身訂做的1200 V 硅基IGBT，其實(shí)可以在這些限制之下展現交換速度。在任何一個(gè)案例當中，無(wú)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(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)都保證能減少能源耗損，即使是在5 V/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(dòng)態(tài)效能
以下將比較兩種技術(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特質(zhì)，設定條件為一般運作，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(xiàn)（V-I curves）。兩相比較可看出無(wú)論何種狀況下碳化硅MOSFET的優(yōu)勢都大幅領(lǐng)先，因為它的電壓呈現線(xiàn)性向前下降。
即使碳化硅MOSFET必須要有VGS = 18 V才能達到很高的RDS(ON)，但可保證靜態(tài)效能遠優(yōu)于硅基IGBT，能大幅減少導電耗損。
圖5：比較動(dòng)態(tài)特質(zhì)
兩種元件都已經(jīng)利用雙脈波測試，從動(dòng)態(tài)的角度加以分析。兩者的比較是以應用為基礎，例如600 V匯流排直流電壓，開(kāi)啟和關(guān)閉的dv/dt均設定為5 V/ns。
圖6為實(shí)驗期間所測得數據之摘要。跟硅基IGBT相比，在本實(shí)驗分析的電流范圍以?xún)?，碳化硅MOSFET的開(kāi)啟和關(guān)閉能耗都明顯較低（約減少50%），甚至在5 V/ns的狀況下亦然。
圖6：動(dòng)態(tài)特色的比較
4. 電熱模擬
為比較兩種元件在一般工業(yè)傳動(dòng)應用的表現，我們利用意法半導體的PowerStudio軟體進(jìn)行電熱模擬。模擬設定了這類(lèi)應用常見(jiàn)的輸入條件，并使用所有與溫度相關(guān)的參數來(lái)估算整體能源耗損。
用來(lái)比較的工業(yè)傳動(dòng)，標稱(chēng)功率為20 kW，換流速度為5 V/ns（輸入條件如表2所列）。
表2：模擬條件
設定4kHz和8 kHz兩種不同切換頻率，以凸顯使用解決方案來(lái)增加fsw之功能有哪些好處。
因為考量到隨著(zhù)時(shí)間推移，所有馬達通常要在不同的作業(yè)點(diǎn)運轉，所以我們利用一些基本假設來(lái)計算傳動(dòng)的功率損耗。依照定義IE等級成套傳動(dòng)模組（CDM）的EN 50598-2標準，還有新型IES等級的電氣傳動(dòng)系統（PDS），我們將兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)套用在模擬中：一是50%扭矩所產(chǎn)生的電流，第二個(gè)則為100%，對我們的應用來(lái)說(shuō)這代表輸出電流分別為24和40 Arms。
若以最大負載點(diǎn)而論（100%扭力電流），兩種元件的散熱片熱電阻都選擇維持大約110 °C的接面溫度。
圖7在50%扭力電流和切換頻率4-8 kHz的狀況下，比較了碳化硅MOSFET和硅基IGBT解決方案的功率耗損。
圖7：50%扭力電流下每個(gè)開(kāi)關(guān)的功率耗損
圖8：100%扭力電流下每個(gè)開(kāi)關(guān)的功率耗損
圖8則是在100%扭力電流下以同樣方式進(jìn)行比較。
功率耗損分為開(kāi)關(guān)（傳導和切換）和反平行二極體，以找出主要差別。和硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET解決方案很明顯可大幅降低整體功率損耗。有這樣的結果是因為無(wú)論靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀況下，不分開(kāi)關(guān)或二極體，功率耗損都會(huì )減少。
最后，無(wú)論是4或8 kHz的切換頻率，兩種負載狀況的功率耗損減少都落在50%范圍以?xún)取?/div>
從這些結果可以看出，這樣做就能達成更高的能源效率，減少散熱片的散熱需求，對重量、體積和成本來(lái)說(shuō)也都有好處。
表3總結了整個(gè)反相器相關(guān)功率耗損的模擬結果（作業(yè)點(diǎn)100%），以及為了讓兩種元件接面溫度維持在110 °C所必需的相關(guān)散熱片熱電阻條件。
表3：模擬結果概況（作業(yè)點(diǎn)100%）
在模擬所設定的條件下，當8 kHz時(shí)Rth會(huì )從硅基IGBT的0.22 °C/W降到碳化硅MOSFET的0.09 °C/W。大幅減少代表散熱片可減容5:1（就強制對流型態(tài)的產(chǎn)品而言），對系統體積、重量和成本有明顯好處。在4 kHz的狀況下，Rth會(huì )從0.35降到0.17 °C/W，相當于4:1容減。
5. 對能源成本的經(jīng)濟影響
當工業(yè)應用對能源的需求較高且必須密集使用，能源效率就成了關(guān)鍵因素之一。
為了將模擬的能源耗損數據結果轉換成能源成本比較概況，必須就年度的負載設定檔和能源成本這些會(huì )隨著(zhù)時(shí)間或地點(diǎn)而有所不同的參數，設定一些基本假設。為達到簡(jiǎn)化的目的，我們把狀況設定在只含兩種功率位階（負載因素100和50%）的基本負載設定檔。設定檔1和設定檔2的差別，只在于每個(gè)功率位準持續的時(shí)間長(cháng)短。為凸顯能源成本的減少，我們將狀況設定為持續運作的工業(yè)應用。任務(wù)檔案1設定為每年有60%的時(shí)間處于負載50%，其他時(shí)間（40%）負載100%。任務(wù)檔案2也是這樣。
對于每個(gè)任務(wù)檔案全年能源成本的經(jīng)濟影響，乃以0.14 €/kWh為能源成本來(lái)計算（歐洲統計局數據，以非家庭用戶(hù)價(jià)格計算）。
從表4可以看出，碳化硅MOSFET每年可省下895.7到1415 kWh的能源。每年可省下的對應成本在125.4到198.1歐元之間，如電壓變動(dòng)比率限制不那麼嚴格，則可省更多。
表4：碳化硅MOSFET每年為每個(gè)任務(wù)檔案所省下的能源和成本
6. 結論
本文針對採用1200 V硅基IGBT和碳化硅MOSFET之工業(yè)傳動(dòng)用反相器，進(jìn)行了效能基準測試。內容還特別探討馬達繞線(xiàn)和軸承保護所導致在電壓變動(dòng)比率方面的技術(shù)限制，接著(zhù)在20 kW工業(yè)傳動(dòng)條件下，針對上述技術(shù)與限制進(jìn)行比較。結果顯示，使用碳化硅MOSFET取代硅基IGBT可大幅增加電力能源效率，即使換流速度限制在5 V/ns。比較成本后也發(fā)現，在特定的假設條件下，這種做法可減少一般工業(yè)傳動(dòng)應用的能源費用支出。
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