看看使用碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅(qū)動器的能源效率詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-06-15
目前工業(yè)傳動通常採用一般所熟知的硅基IGBT反相器（inverter），但最近開發(fā)的碳化硅MOSFET元件，為這個領(lǐng)域另外開闢出全新的可能性。
以反相器為基礎(chǔ)的傳動應(yīng)用，最常見的拓撲就是以6個電源開關(guān)連接3個半橋接電橋臂。
每一個半橋接電橋臂，都是以歐姆電感性負載（馬達）上的硬開關(guān)換流運作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉(zhuǎn)距。因為電感性負載的關(guān)係，每次換流都需要6個反平行二極體執(zhí)行續(xù)流相位。當下旁（lower side）飛輪二極體呈現(xiàn)反向恢復(fù)，電流的方向就會和上旁（upper side）開關(guān)相同，反之亦然；因此，開啟狀態(tài)的換流就會電壓過衝（overshoot），造成額外的功率耗損。這代表在切換時，二極體的反相恢復(fù)對功率損失有很大的影響，因此也會影響整體的能源效率。
跟硅基FWD搭配硅基IGBT的作法相比，碳化硅MOSFET因為反向恢復(fù)電流和恢復(fù)時間的數(shù)值都低很多，因此能大幅減少恢復(fù)耗損以及對能耗的影響。
圖1和圖2分別為50 A-600 VDC狀況下，碳化硅MOSFET和硅基IGBT在開啟狀態(tài)下的換流情形。請看藍色條紋區(qū)塊，碳化硅MOSFET的反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時間都減少很多。開啟和關(guān)閉期間的換流速度加快可減少開關(guān)時的電源耗損，但開關(guān)換流的速度還是有一些限制，因為可能造成電磁干擾、電壓尖峰和振盪問題惡化。
除此之外，影響工業(yè)傳動的重要參數(shù)之一，就是反相器輸出的快速換流暫態(tài)造成損害的風(fēng)險。換流時電壓變動的比率（dv/dt）較高，馬達線路較長時確實會增加電壓尖峰，讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴重，長久以往可能導(dǎo)致繞組絕緣和馬達軸承故障。因此為了保障可靠度，一般工業(yè)傳動的電壓變動率通常在5-10 V/ns。
雖然這個條件看似會限制碳化硅MOSFET的實地應(yīng)用，因為快速換流就是它的主要特色之一，但專為馬達控制所量身訂做的1200 V 硅基IGBT，其實可以在這些限制之下展現(xiàn)交換速度。在任何一個案例當中，無論圖1、圖2、圖3、圖4都顯示，跟硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET元件開啟或關(guān)閉時都保證能減少能源耗損，即使是在5 V/ns的強制條件下。
以下將比較兩種技術(shù)的靜態(tài)和動態(tài)特質(zhì)，設(shè)定條件為一般運作，接面溫度TJ = 110℃。圖5為兩種元件的輸出靜態(tài)電流電壓特性曲線（V-I curves）。兩相比較可看出無論何種狀況下碳化硅MOSFET的優(yōu)勢都大幅領(lǐng)先，因為它的電壓呈現(xiàn)線性向前下降。
即使碳化硅MOSFET必須要有VGS = 18 V才能達到很高的RDS（ON），但可保證靜態(tài)效能遠優(yōu)于硅基IGBT，能大幅減少導(dǎo)電耗損。
兩種元件都已經(jīng)利用雙脈波測試，從動態(tài)的角度加以分析。兩者的比較是以應(yīng)用為基礎(chǔ)，例如600 V匯流排直流電壓，開啟和關(guān)閉的dv/dt均設(shè)定為5 V/ns。
圖6為實驗期間所測得數(shù)據(jù)之摘要。跟硅基IGBT相比，在本實驗分析的電流范圍以內(nèi)，碳化硅MOSFET的開啟和關(guān)閉能耗都明顯較低（約減少50%），甚至在5 V/ns的狀況下亦然。
當工業(yè)應(yīng)用對能源的需求較高且必須密集使用，能源效率就成了關(guān)鍵因素之一。
為了將模擬的能源耗損數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成能源成本比較概況，必須就年度的負載設(shè)定檔和能源成本這些會隨著時間或地點而有所不同的參數(shù)，設(shè)定一些基本假設(shè)。為達到簡化的目的，我們把狀況設(shè)定在只含兩種功率位階（負載因素100和50%）的基本負載設(shè)定檔。設(shè)定檔1和設(shè)定檔2的差別，只在于每個功率位準持續(xù)的時間長短。為凸顯能源成本的減少，我們將狀況設(shè)定為持續(xù)運作的工業(yè)應(yīng)用。任務(wù)檔案1設(shè)定為每年有60%的時間處于負載50%，其他時間（40%）負載100%。
對于每個任務(wù)檔案全年能源成本的經(jīng)濟影響，乃以0.14 €/kWh為能源成本來計算（歐洲統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，以非家庭用戶價格計算）。
從表4可以看出，碳化硅MOSFET每年可省下895.7到1415 kWh的能源。每年可省下的對應(yīng)成本在125.4到198.1歐元之間，如電壓變動比率限制不那麼嚴格，則可省更多。
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