SiC MOSFET用於電機驅動的優勢在哪裡

Dec . 2023

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在我們的傳統印像中，電機驅動系統往往採用IGBT作為開關元件，而SiC MOSFET作為高速元件往往與太陽能和電動車充電樁等需要高頻變換的應用相關聯。但在特定的電機應用中，SiC仍然具有不可比擬的優勢，他們是：

1. 低電感電機

低電感電機有許多不同應用，包括大氣隙電機、無槽電機和低洩漏感應電機。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）來維持所需的漣波電流。然而，對於50kHz以上的調變頻率使用絕緣柵雙極電晶體（IGBT）無法滿足這些需求，如果是380V系統，矽MOSFET耐壓又不夠，這就為寬禁帶裝置開創了新的機會。

2. 高速電機

由於擁有高基波頻率，這些電機也需要高開關頻率。它們適用於高功率密度電動車、高極數電機、具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，而透過使用寬禁帶開關裝置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，功率元件需要很高的開關頻率（超過50kHz），因此SiC-MOSFET是這類應用的首選元件。

3. 惡劣工況

在電機控制逆變器中使用寬禁帶裝置有兩個引人注目的好處。第一，它們產生的熱量比矽元件少，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，而矽晶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，但專注於解決這些問題的研究正在進行中。因此，寬禁帶裝置更適合可能面臨惡劣工況的電機應用，例如混合動力電動車（HEV）中的整合式電機驅動器、海底和井下應用、太空應用等

傳統的電機驅動中，往往使用IGBT作為開關元件。那麼，SiC MOSFET相對於Si IGBT有哪些優勢，使得它更適合電機驅動應用？

首先，從開關特性角度來看，功率元件開關損耗分為開通損耗和關斷損耗。

關斷損耗

IGBT是雙極性裝置，導通時電子和電洞共同參與導電，但關斷時由於電洞，只能透過複合逐漸消失，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是單極性裝置，只有電子參與導電，關斷時沒有拖尾電流使得SiC MOSFET關斷損耗大大低於IGBT。

開通損耗

IGBT開通瞬間電流往往會有過衝，這是反並聯二極體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，增加了裝置的開通損耗。 IGBT的反並聯二極體往往是Si PiN二極體，反向恢復電流比較明顯。而SiC MOSFET的結構裡天然整合了一個體二極體，無需額外並聯二極體。 SiC體二極體參與換流，它的反向恢復電流遠低於IGBT反並聯的矽PiN二極體，因此，即使在同樣的dv/dt條件下，SiC MOSFET的開通損耗也低於IGBT。另外，SiC MOSFET可以使得伺服驅動器與電機整合在一起，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，遠低於IGBT。即使是開關過程較慢時，碳化矽的開關損耗也優於IGBT。

此外，SiC MOSFET的開關損耗基本上不受溫度影響，而IGBT的開關損耗隨溫度上升而顯著增加。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的導通電壓遠小於IGBT。大電流時IGBT導通損耗更低，這是由於隨著元件壓降上升，雙極性元件IGBT開始導通，由於電導調製效應，電子注入激發更多的電洞，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具有較低的導通損耗。重載或加速條件下，SiC MOSFET導通損耗的優勢會降低。