今天碳化硅器件已經(jīng)在多種應用中取得商業(yè)的成功。碳化硅MOSFET已被證明是硅IGBT在太陽能、儲能系統(tǒng)、電動汽車充電器和電動汽車等領域的商業(yè)可行替代品。這些應用中效率提升和濾波器尺寸減小抵消了半導體材料成本的增加。工業(yè)電機驅動一直以來以低成本、堅固耐用的功率半導體需求為主導，不太關注器件級效率。如今，全球能源成本上升以及關于電流諧波和二氧化碳排放的監(jiān)管要求，促使設計人員尋找更高效率的解決方案。與此同時，大規(guī)模生產的、具有短路能力的碳化硅功率器件的普及意味著碳化硅在電機驅動中有了用武之地。賽米控丹佛斯通過考察兩種不同類型的變頻器，可以在不同的電路位置檢驗碳化硅的技術優(yōu)勢。

線側（低諧波/再生驅動）現(xiàn)代高性能變頻器通常采用有源前端（AFE），用有源器件代替無源整流器進行線路連接。這樣做的原因主要有兩個。一是解決變頻器對電網(wǎng)產生的諧波問題。三相橋式有源器件可以與電源頻率同步，從電源中吸取接近單位功率因數(shù)的正弦波電流。這種拓撲結構支持滿足諧波要求（例如美國的IEEE 519標準），同時也能提高電網(wǎng)利用率。隨著工業(yè)應用的持續(xù)電氣化，這一話題變得越來越重要。使用AFE的另一個原因是能夠將能量回饋到電網(wǎng)。在運行過程中會產生能量的應用中，這非常有益，否則這些能量必須使用被動制動電阻來耗散。這些應用包括伺服驅動、起重機、電梯、自動扶梯、下坡輸送機、測功機等許多其他應用。

圖1：典型的有源前端應用拓撲

最簡單的AFE通常使用圖1所示的電路。對于此類電路，用碳化硅MOSFET替代IGBT及對應的續(xù)流二極管可以為整個系統(tǒng)帶來多重好處。

一個完整的20kW（27馬力）AFE驅動器，其運行參數(shù)如下：

對于這次比較，標準硅IGBT功率模塊使用了最新一代（第七代）的1200V/50A IGBT，而選定的碳化硅MOSFET功率模塊使用了1200V/18mΩ MOSFET。兩種模塊都使用了來自賽米控丹佛斯的SEMITOP E1封裝。在這次模擬中，碳化硅的開關頻率被提高，直到其結溫與硅器件相同。

表1：模擬的AFE應用比較

即使在四倍的載波頻率下，碳化硅器件在每個三相電路中表現(xiàn)出34%的總損耗降低。此外，對LCL濾波器的尺寸有直接影響。更高的開關頻率減少了所需的電感和電容。電感器的總重量幾乎減半，而總體積減少了70%。雖然碳化硅功率模塊的成本高于硅器件，但必須考慮系統(tǒng)的總擁有成本：

更小的驅動器體積和重量：

減少運輸、包裝和存儲空間

更容易安裝

更小的面板和安裝空間

降低功率損耗

節(jié)能和成本降低

降低冷卻需求

當從更廣泛的角度審視時，碳化硅（SiC）帶來的巨大好處不僅彌補了組件成本，而且在AFE應用中，它們還提供了整個產品生命周期內的實質性成本效益。

逆變器側（傳統(tǒng)驅動器）

驅動器的逆變器側，連接到電機，對應用碳化硅器件有更多挑戰(zhàn)。與AFE示例相比，這里必須考慮一些限制和關鍵要求：

逆變器必須能夠承受短路

dv/dt必須限制（例如，<5kV/μs）以避免對電機造成損壞

開關頻率受到限制，以保持驅動損耗在一個可接受的水平，并避免在屏蔽電機電纜中產生過大的漏電流

碳化硅MOSFET的短路能力長期以來一直是一個關鍵話題。然而，隨著最新一代產品的到來，現(xiàn)有的碳化硅器件能夠處理幾微秒的短路，使它們成為電機驅動的可行選項。

圖2：帶被動整流器的電機驅動

從圖2的原理圖可以看出，沒有通過提高開關頻率來減少的磁性元件的設計。盡管如此，在這種應用中碳化硅仍然具備優(yōu)勢。我們可以通過一個典型的15kW（20HP）電機驅動來說明。其參數(shù)如下，這些參數(shù)通常在可變扭矩應用中找到：

用于比較的標準硅IGBT功率模塊采用了最新一代（第七代）1200V/35A IGBT，封裝形式為SEMITOP E2。所選的碳化硅MOSFET功率模塊使用了1200V/18mΩ MOSFET。這種MOSFET是來自ROHM Semiconductor的最新第四代產品，具有2μs的短路能力（VG=18V，Tj=150°C，VDC=720V），當在賽米控丹佛斯功率模塊中使用時。對于這兩個示例模塊，選擇外部柵極電阻限制dv/dt在5kV/μs。

這項應用是驅動一個具有二次方轉矩特性的離心泵，如圖3所示。泵實際上主要在40%到80%的速度范圍內運行。這個運行區(qū)域對應于碳化硅MOSFET具有較低導通損耗的電流范圍。

相比于硅IGBT，MOSFET在開關損耗方面有四倍的優(yōu)勢，因為碳化硅具有更低的開關損耗。當MOSFET降低到5kV/μs時，與IGBT解決方案相比，在開關損耗方面的優(yōu)勢很小。然而，由于其線性的正向特性，MOSFET表現(xiàn)出更低的導通損耗。

圖3：離心泵扭矩與轉速特性

這些圖表展示了整個15kW驅動器（包括二極管前端、直流母線電容器、逆變器）的損耗和效率，分別對應硅IGBT（灰色）和碳化硅MOSFET（紅色）。

圖4：15kW驅動器的損耗和效率

結果顯示，在整個適用的速度范圍內，碳化硅在損耗方面具有明顯優(yōu)勢。在低速時，碳化硅裝備的驅動器比硅版本的損耗低7%，在全速時損耗低22%。這相當于在低速時總效率提高了0.6%，在高速時提高了0.5%。這些值可以通過查看驅動器在不同操作速度下的時間分布來轉化為實際的年度能耗節(jié)省。圖5中的年度負載估計基于工業(yè)泵驅動器的典型應用。如果計算每個負載點的損耗，就可以為每種驅動器計算出一年內的總能耗。

圖5：泵驅動器的年度平均負載分布

一年內，配備碳化硅的驅動器僅消耗了377千瓦時的累計能源支出，而配備硅（Si）的驅動器則消耗了651千瓦時。這種能源消耗減少42%具有實際的環(huán)境和財務影響。溫室氣體排放每年減少125公斤二氧化碳（根據(jù)2023年全球混合標準）。在像德國這樣的國家（2023年電價為0.20歐元/千瓦時），配備碳化硅的驅動器增加的成本在一年內就能得到補償；或者在美國這樣電費顯著較低的國家，不到三年就能收回成本。

最后，使用碳化硅還有物理上的優(yōu)勢，因為使用碳化硅可以使一定功率等級的驅動器變得更小。進一步的模擬表明，碳化硅的較低半導體功率損耗允許在相同溫升的情況下將散熱器體積減少多達71%。對于工業(yè)驅動器來說，這意味著可以減少氣流和冷卻風扇的數(shù)量。此外，安裝驅動器的面板和機柜可以更小更輕，從而減少材料、物流和安裝成本。相反，如果保持相同的熱設計，給定電機驅動框架尺寸的輸出功率可以增加多達25%。

碳化硅功率模塊

為了滿足驅動制造商的需求，賽米控丹佛斯提供了常見拓撲結構和封裝形式的碳化硅功率模塊（見上圖）。SEMITOP E、MiniSKiiP和SEMITRANS Classic都配備了來自ROHM的最新第四代碳化硅MOSFET，具有短路能力和單極性柵極控制功能。這些器件與現(xiàn)有的硅器件引腳兼容，并配備了高性能的預涂覆熱界面材料。為了獲得最高的功率循環(huán)可靠性，MiniSKiiP封裝中提供了燒結芯片，這些改進使得碳化硅能夠在具有嚴重過載峰值的應用中使用，如伺服或機器人驅動。

結論：格局打開--碳化硅模塊在電機驅動上大有可為

這兩個示例只是展示了驅動制造商和最終用戶在切換到碳化硅時所獲得的新優(yōu)勢的一小部分，碳化硅器件的優(yōu)勢在電機驅動的應用還大有可為。對于特殊驅動應用，如用于渦輪壓縮機的高速電機，碳化硅器件可以帶來的好處更多。這些情況通常不受這里提到的dv/dt和開關頻率的限制。