【導讀】隨著(zhù)能源需求的增長(cháng)，越來(lái)越嚴格的效率標準或最低能效標準 (MEPS) 順勢而生，旨在減少工業(yè)電機驅動(dòng)器對日益變暖的地球所造成的環(huán)境影響。迄今為止，全球范圍內已有 50 多個(gè)國家/地區（包括歐盟、中國和美國等重要經(jīng)濟體）紛紛制定了有關(guān)工業(yè)低壓電機驅動(dòng)器效率的規范。當今的工業(yè)電機設計主要遵循全球效率標準 IEC 60034-1-30，其中規定了電機效率的不同等級，即 IE1 至 IE4。最近，又增加了一個(gè) IE5（即超高效率）標準。這些 IE 規范適用于所有使用電網(wǎng)供電的電機系統。到目前為止，大多數國家/地區已經(jīng)采納 IE3 作為最低標準。
每年，包括工業(yè)低電壓電機驅動(dòng)器、伺服驅動(dòng)器、熱泵和空調在內的工業(yè)電機所消耗的電量占全球總耗電量的 45% 以上。
隨著(zhù)能源需求的增長(cháng)，越來(lái)越嚴格的效率標準或最低能效標準 (MEPS) 順勢而生，旨在減少工業(yè)電機驅動(dòng)器對日益變暖的地球所造成的環(huán)境影響。迄今為止，全球范圍內已有 50 多個(gè)國家/地區（包括歐盟、中國和美國等重要經(jīng)濟體）紛紛制定了有關(guān)工業(yè)低壓電機驅動(dòng)器效率的規范。當今的工業(yè)電機設計主要遵循全球效率標準 IEC 60034-1-30，其中規定了電機效率的不同等級，即 IE1 至 IE4。最近，又增加了一個(gè) IE5（即超高效率）標準。這些 IE 規范適用于所有使用電網(wǎng)供電的電機系統。到目前為止，大多數國家/地區已經(jīng)采納 IE3 作為最低標準。在歐盟地區，則要求電機達到 IE4 標準。在傳統的驅動(dòng)系統中，IE4 標準僅適用于電機部分，而不適用于整個(gè)驅動(dòng)。但是，在嵌入式驅動(dòng)中，電機和驅動(dòng)器集成在一個(gè)緊湊的單元中，整個(gè)系統必須符合 IE4 標準。
在驅動(dòng)器電路中采用碳化硅代替傳統的硅基 IGBT，可使系統設計人員在設計出更小型、更輕量的嵌入式電機驅動(dòng)系統的同時(shí)，達到最嚴格的 IE4 效率標準。本文將介紹如何簡(jiǎn)化、加快碳化硅設計流程并降低風(fēng)險，以及如何在工業(yè)電機驅動(dòng)系統中更輕松地實(shí)現 IE4 和 IE5 節能目標。
使用碳化硅設計工業(yè)電機驅動(dòng)器，可簡(jiǎn)化、加快設計流程并降低風(fēng)險，同時(shí)輕松達到 IE4 和 IE5 效率標準。
第 1 步：了解
無(wú)論您是碳化硅元器件領(lǐng)域的資深專(zhuān)家，還是初涉此技術(shù)，設計過(guò)程的首要步驟都是熟悉碳化硅產(chǎn)品的范圍，并了解它們之間的核心差異。這些差異包括封裝尺寸、電壓等級、開(kāi)關(guān)速度和效率。仿真工具為了解系統需求以及碳化硅器件在其中的性能表現提供了一種快速、可靠的方式，并為設計人員提供了一個(gè)理想的平臺，使其能夠便捷地為系統建模，精準確定最適合應用的電壓等級和功率需求，進(jìn)而輔助他們選擇最適合進(jìn)一步測試的器件。
Wolfspeed SpeedFit? 設計仿真工具是一款基于 PLECS 的在線(xiàn)仿真工具，以其簡(jiǎn)單易用的界面，為評估碳化硅 MOSFET、二極管和功率模塊提供了便捷高效的解決方案。
SpeedFit 提供了超過(guò) 35 種的拓撲結構，包括多種三相逆變器拓撲結構。要開(kāi)始使用該工具，首先明確所需應用的基本工作參數和條件，并從推薦的碳化硅產(chǎn)品列表中進(jìn)行選擇。然后，根據拓撲結構輸入詳細的電路參數、運行條件和熱參數?？蓡⒂盟矐B(tài)工作點(diǎn)，以查看過(guò)載條件對熱性能的影響。SpeedFit 在熱系統配置方面展現出了高度靈活性，支持用戶(hù)以固定散熱器溫度或設定與環(huán)境之間的熱阻兩種方式插入熱參數。如果終端熱系統未知，則可通過(guò)此步驟確定系統的熱要求。圖 1 舉例說(shuō)明了用于熱泵應用的 11 kW 電機驅動(dòng)器所需的參數和 SpeedFit 仿真工具的輸入。
圖 1: 用于熱泵應用的 11 kW 電機驅動(dòng)器所需的參數和 SpeedFit 仿真工具的輸入
輸入參數后，系統能夠在數秒鐘內執行仿真過(guò)程，從而確定結果。結果包括波形（用于確定轉換器的運行方式）、結溫、功率損耗和效率。在這里，可以保留結果，同時(shí)允許用戶(hù)調整之前的輸入參數。這樣就可以輕松比較不同部件在不同工作條件下的性能，并確定最適合系統要求的 MOSFET 或功率模塊。將仿真結果保存為 PDF 或 CSV 格式，或直接請求提供樣品以進(jìn)入評估階段。
此外，為了滿(mǎn)足設計人員在離線(xiàn)環(huán)境中進(jìn)行更深入的系統或電路仿真的需求，還提供了所有器件的 PLECS 和 LTspice 模型。
第 2 步：評估
通過(guò)評估哪種碳化硅器件最適合所需應用，進(jìn)一步完善工業(yè)電機驅動(dòng)器設計。評估是確定和比較碳化硅與傳統 IGBT 效率的關(guān)鍵步驟。傳統的實(shí)際操作測試方法可能需要耗時(shí)數周之久，期間需要不斷調整系統參數和優(yōu)化整個(gè)系統，因此會(huì )大大減慢設計進(jìn)程。借助評估套件，設計人員能夠評估器件和系統性能，幾分鐘內即可獲取結果，從而顯著(zhù)提升設計流程的效率和速度。SpeedVal? 套件模塊化評估平臺等評估套件可用于快速測試三相電機驅動(dòng)系統中的特定碳化硅分立器件。SpeedVal 套件專(zhuān)為三相電機驅動(dòng)器應用而設計，集成了一套模塊化的構件，這些構件可以輕松替換，方便在實(shí)際運行點(diǎn)對系統性能進(jìn)行快速在線(xiàn)評估。
圖 2：SpeedVal? 套件模塊化評估平臺三相母板
使用 SpeedVal 套件評估和優(yōu)化 Wolfspeed 650 V - 1200 V 碳化硅 MOSFET 的高速動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)性能，同時(shí)為其搭配來(lái)自業(yè)界領(lǐng)先合作伙伴的柵極驅動(dòng)器。三相母板集成了專(zhuān)用于在靜態(tài)負載上測試器件的開(kāi)環(huán)固件，并為電機控制領(lǐng)域的高級控制和固件開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)平臺。此外，還集成了編碼器和解析器的硬件接口，為電機控制系統提供閉環(huán)速度控制和位置控制功能。
SpeedVal 套件還支持動(dòng)態(tài)測試，包括雙脈沖和短路測試。這些平臺經(jīng)過(guò)精心設計，具有經(jīng)優(yōu)化的測試點(diǎn)，可以確保高保真度的電流和電壓讀數。利用這些讀數，設計人員能夠精準地調整 dV/dt 這一在電機驅動(dòng)器應用中至關(guān)重要的參數，從而確保電機驅動(dòng)器與現有電機兼容，同時(shí)通過(guò)調整柵極電阻與柵極電容，調控開(kāi)關(guān)行為。dV/dt 和柵極電阻得到優(yōu)化后，共同對動(dòng)力總成的設計產(chǎn)生了顯著(zhù)的增強作用，并簡(jiǎn)化了最后的開(kāi)發(fā)階段。
第 3 步：開(kāi)發(fā)
在最后的開(kāi)發(fā)階段，設計人員運用從學(xué)習和評估中獲得的知識，自信地構建出得到優(yōu)化的碳化硅系統。參考設計對開(kāi)發(fā)階段的工作大有裨益，可提供經(jīng)過(guò)驗證的電源系統原理圖和布局示例。這些設計適用于各種應用，可根據系統的功率水平進(jìn)行擴展，并可根據成本要求進(jìn)行調整。
Wolfspeed 推出了兩款專(zhuān)為優(yōu)化碳化硅電機驅動(dòng)器設計的全新參考設計：一款是 25 kW FM3 三相逆變器，另一款是 11 kW 高效三相電機驅動(dòng)逆變器。
25 kW FM3 三相逆變器參考設計提供了一個(gè)支持早期碳化硅設計階段活動(dòng)的綜合設計包，使工程師能夠通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的三相逆變器拓撲結構，開(kāi)箱即可快速評估其性能。這款逆變器采用單個(gè) Wolfspeed WolfPACK? FM3 功率模塊，峰值效率超過(guò) 99.5%，功率密度達到 5.7 kW/L。其配套的綜合設計軟件包提供可定制的固件、隔離 CAN 通信和圖形用戶(hù)界面，以及可調整的功率級，共同確保了在不同工作條件下都能實(shí)現最大的靈活性。
11 kW 高效三相電機驅動(dòng)逆變器參考設計展示了 Wolfspeed 的 1200V MOSFET 在工業(yè)加熱和冷卻應用中的卓越性能，其峰值效率可達到 99%，滿(mǎn)載效率可達到 98.6%。與在 16 kHz 頻率下運行的類(lèi)似 IGBT 解決方案相比，這款逆變器實(shí)現了 1.5% 的效率提升。
通過(guò)采用適當的支持工具，碳化硅的設計過(guò)程可以變得更加簡(jiǎn)便高效，從而降低了從硅技術(shù)過(guò)渡到碳化硅技術(shù)在工業(yè)電機驅動(dòng)器領(lǐng)域中的技術(shù)門(mén)檻和難度。通過(guò)一個(gè)三階段設計流程，工程師能夠開(kāi)發(fā)出具有顛覆意義的工業(yè)電機驅動(dòng)系統，并達到領(lǐng)先的 IE4 和 IE5 效率標準。還有什么疑問(wèn)嗎？在 Wolfspeed 功率應用在線(xiàn)討論平臺上與碳化硅應用工程師直接聯(lián)系，訪(fǎng)問(wèn)我們的知識庫，或在社群論壇上提出技術(shù)問(wèn)題，或通過(guò)私聊與我們聯(lián)系。要開(kāi)始采用 Wolfspeed 碳化硅的設計，敬請訪(fǎng)問(wèn)：https://www.wolfspeed.com/tools-and-support 。
Wolfspeed（美國紐約證券交易所上市代碼: WOLF）引領(lǐng)碳化硅（SiC）技術(shù)在全球市場(chǎng)的采用。我們?yōu)楦咝茉垂澕s和可持續未來(lái)提供業(yè)界領(lǐng)先的解決方案。Wolfspeed 產(chǎn)品家族包括了 SiC 材料、功率器件，針對電動(dòng)汽車(chē)、快速充電、可再生能源和儲能等多種應用。我們通過(guò)勤勉工作、合作以及對于創(chuàng )新的熱情，開(kāi)啟更多可能。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
授權代理商貿澤電子為工程師提供AMD的全新AI和邊緣技術(shù)
高精度UWB技術(shù)滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)設備需求
邁向輕度混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的關(guān)鍵：48V起動(dòng)發(fā)電機詳細解析
數字電位器能否代替電路中的機械電位器？
固定比率轉換器在電池生命周期中釋放創(chuàng )新動(dòng)力
