使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器的能源效率
作者：意法半导体Carmelo Parisi，Antonino Raciti，Angelo Sciacca
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。
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。
图1：开启状态的碳化硅MOSFET
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。
图3：关闭状态的硅基MOSFET
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 ℃ 。
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。
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。
图6为实验期间所测得数据之摘要。跟硅基IGBT相比，在本实验分析的电流范围以内，碳化硅MOSFET的开启和关闭能耗都明显较低（约减少50%），甚至在5 V/ns的状况下亦然。
图6：动态特色的比较
4. 电热模拟
为比较两种元件在一般工业传动应用的表现，我们利用意法半导体的PowerStudio软体进行电热模拟。模拟设定了这类应用常见的输入条件，并使用所有与温度相关的参数来估算整体能源耗损。
用来比较的工业传动，标称功率为20 kW，换流速度为5 V/ns（输入条件如表2所列）。
表2：模拟条件
设定4kHz和8 kHz两种不同切换频率，以凸显使用解决方案来增加fsw之功能有哪些好处。
因为考量到随著时间推移，所有马达通常要在不同的作业点运转，所以我们利用一些基本假设来计算传动的功率损耗。依照定义IE等级成套传动模组（CDM）的EN 50598-2标准，还有新型IES等级的电气传动系统（PDS），我们将两个作业点套用在模拟中：一是50%扭矩所产生的电流，第二个则为100%，对我们的应用来说这代表输出电流分别为24和40 Arms。
若以最大负载点而论（100%扭力电流），两种元件的散热片热电阻都选择维持大约110 °C的接面温度。
图7在50%扭力电流和切换频率4-8 kHz的状况下，比较了碳化硅MOSFET和硅基IGBT解决方案的功率耗损。
图7：50%扭力电流下每个开关的功率耗损
图8：100%扭力电流下每个开关的功率耗损
图8则是在100%扭力电流下以同样方式进行比较。
功率耗损分为开关（传导和切换）和反平行二极体，以找出主要差别。和硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET解决方案很明显可大幅降低整体功率损耗。有这样的结果是因为无论静态和动态状况下，不分开关或二极体，功率耗损都会减少。
最后，无论是4或8 kHz的切换频率，两种负载状况的功率耗损减少都落在50%范围以内。
从这些结果可以看出，这样做就能达成更高的能源效率，减少散热片的散热需求，对重量、体积和成本来说也都有好处。
表3总结了整个反相器相关功率耗损的模拟结果（作业点100%），以及为了让两种元件接面温度维持在110 °C所必需的相关散热片热电阻条件。
表3：模拟结果概况（作业点100%）
在模拟所设定的条件下，当8 kHz时Rth会从硅基IGBT的0.22 °C/W降到碳化硅MOSFET的0.09 °C/W。大幅减少代表散热片可减容5:1（就强制对流型态的产品而言），对系统体积、重量和成本有明显好处。在4 kHz的状况下，Rth会从0.35降到0.17 °C/W，相当于4:1容减。
5. 对能源成本的经济影响
当工业应用对能源的需求较高且必须密集使用，能源效率就成了关键因素之一。
为了将模拟的能源耗损数据结果转换成能源成本比较概况，必须就年度的负载设定档和能源成本这些会随著时间或地点而有所不同的参数，设定一些基本假设。为达到简化的目的，我们把状况设定在只含两种功率位阶（负载因素100和50%）的基本负载设定档。设定档1和设定档2的差别，只在于每个功率位准持续的时间长短。为凸显能源成本的减少，我们将状况设定为持续运作的工业应用。任务档案1设定为每年有60%的时间处于负载50%，其他时间（40%）负载100%。任务档案2也是这样。
对于每个任务档案全年能源成本的经济影响，乃以0.14 /kWh为能源成本来计算（欧洲统计局数据，以非家庭用户价格计算）。
从表4可以看出，碳化硅MOSFET每年可省下895.7到1415 kWh的能源。每年可省下的对应成本在125.4到198.1欧元之间，如电压变动比率限制不那麽严格，则可省更多。
表4：碳化硅MOSFET每年为每个任务档案所省下的能源和成本
6. 结论
本文针对採用1200 V硅基IGBT和碳化硅MOSFET之工业传动用反相器，进行了效能基准测试。内容还特别探讨马达绕线和轴承保护所导致在电压变动比率方面的技术限制，接著在20 kW工业传动条件下，针对上述技术与限制进行比较。结果显示，使用碳化硅MOSFET取代硅基IGBT可大幅增加电力能源效率，即使换流速度限制在5 V/ns。比较成本后也发现，在特定的假设条件下，这种做法可减少一般工业传动应用的能源费用支出。
