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使用碳化硅 MOSFET 提升工业驱动器的能源效率

2020/6/6 22:23:07发布191次查看

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 °c。
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。

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