近年來，電動汽車的興起帶動了寬禁帶器件的應(yīng)用，并逐漸滲透到各個市場。目前，工業(yè)電機主要使用逆變器來提高能效等級，這些逆變器在使用傳統(tǒng)硅MOSFET和IGBT作為功率開關(guān)時存在一些限制，如總體損耗較高、開關(guān)頻率和功率輸送受限等。隨著第三代半導(dǎo)體的興起，寬禁帶器件的應(yīng)用使得提高電機的功率密度、功率輸送能力和效率成為可能。《電機驅(qū)動系統(tǒng)中的寬禁帶開關(guān)器件》白皮書共18頁，主要探討了采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）寬禁帶器件對電機驅(qū)動器效率的提升和應(yīng)用中需要克服的設(shè)計問題。

電機技術(shù)發(fā)展

1.工業(yè)電機需滿足新能效標準（IE4和IE5），永磁電機、同步磁阻電機和感應(yīng)電機是主要類型

2.使用電機驅(qū)動器可以提高電機能效，寬禁帶器件提供了更高效率的機會

3.電機技術(shù)的發(fā)展對電機驅(qū)動器提出新的要求

a.低電感電機：需要高開關(guān)頻率（50-100 kHz）維持小的紋波電流，寬禁帶器件提供了解決方案。

b.高速電機：高基波頻率要求高開關(guān)頻率，寬禁帶器件能滿足這一需求。

c.惡劣工況：寬禁帶器件耐高溫（SiC：600°C，GaN：300°C），適合惡劣環(huán)境應(yīng)用。

雖然GaN器件目前存在一些與封裝有關(guān)的問題，導(dǎo)致它們所適用的工作溫度不能超過200°C，但專注于解決這些問題的研究正在進行中。因此，寬禁帶器件更適合可能面臨惡劣工況的電機應(yīng)用，比如混合動力電動汽車（HEV）中的集成電機驅(qū)動器、海底和井下應(yīng)用、空間應(yīng)用等。

高速器件的應(yīng)用問題

寬禁帶器件是高速器件，在應(yīng)用在電機驅(qū)動器中會碰到一些問題使用：

?繞組絕緣：高開關(guān)頻率下的高速器件dv/dt高，可能導(dǎo)致匝間短路，需開發(fā)新型電機絕緣材料或限制電壓變化率dv/dt

? 軸承壽命：高開關(guān)速度增加局部放電，降低軸承壽命，如使用陶瓷涂層軸承成本就比較高。參考文章《電機軸電流與電機驅(qū)動》

?電纜長度：高開關(guān)速度導(dǎo)致信號反射，需使用濾波器或縮短電纜長度

器件品質(zhì)因數(shù)

白皮書評價了不同功率半導(dǎo)體在電機驅(qū)動中的應(yīng)用，做了品質(zhì)因數(shù)的分析和損耗比較。

?比較RDS(on)* Qrr參數(shù)時，對于具有連續(xù)硬換流的應(yīng)用（如電機驅(qū)動應(yīng)用），以及帶電流連續(xù)模式（CCM）圖騰柱和功率因數(shù)校正（PFC）的應(yīng)用，SiC和GaN器件優(yōu)于兩種硅器件。

?SiC器件尤其是GaN器件要比任一硅器件驅(qū)動損耗要低。

?然而，對于反向?qū)〒p耗，寬禁帶器件相比于硅MOSFET和硅超結(jié)器件，Vf值大幅提高，如果死區(qū)時間比較長，會對系統(tǒng)效率造成了很大的負面影響。因此，在考慮在電機驅(qū)動逆變器中使用寬禁帶器件時，死區(qū)時間是需要考慮的一個重要參數(shù)，必須將該參數(shù)的值控制在盡可能低的水平。

實際開關(guān)損耗比較：

?雙脈沖試驗顯示，GaN和SiC開關(guān)損耗低于IGBT。

? 寬禁帶器件在輕載和高溫條件下表現(xiàn)更佳，但IGBT在滿載條件下?lián)p耗較低。

電機驅(qū)動系統(tǒng)案例分析

白皮書的重要部分是以實際案例分析了電機驅(qū)動器損耗和電機的高頻損耗，深入研究了不同電機轉(zhuǎn)速下高頻損耗隨開關(guān)頻率的不同而發(fā)生的變化。

結(jié)論

?相比使用硅器件，寬禁帶開關(guān)器件可使電機驅(qū)動系統(tǒng)以更高的開關(guān)頻率運行，從而可以實現(xiàn)更高的總體系統(tǒng)效率。然而，因為需要綜合考慮和權(quán)衡逆變器損耗和電機損耗，在選擇合適的開關(guān)頻率時應(yīng)當非常謹慎。

?本白皮書中給出的實驗結(jié)果表明，在較高開關(guān)頻率下的電機損耗降低，最合適的開關(guān)頻率約為20kHz。然而，對于電機軸承和繞組壽命在高開關(guān)頻率和更快電壓變化率（dv/dt）下所受的影響，還需要進行進一步分析。

?另外，更快開關(guān)頻率對低頻損耗、機械損耗和死區(qū)補償?shù)挠绊懀残枰芯?。除了幫助已有電機設(shè)計實現(xiàn)性能改進，寬禁帶器件還有可能為實現(xiàn)滿足未來能效要求的全新電機驅(qū)動器拓撲創(chuàng)造機會。而且，利用寬禁帶開關(guān)器件實現(xiàn)的未來電機設(shè)計，還可能幫助解決伴隨更高開關(guān)頻率而出現(xiàn)的問題（例如，軸承和繞組磨損等）。

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《電機驅(qū)動系統(tǒng)中的寬禁帶開關(guān)器件---研究采用運行于高開關(guān)頻率的寬禁帶器件的逆變器對電機驅(qū)動器損耗的影響》

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