【技術文章】使用碳化硅MOSFET提升工業驅動器的能源效率

意法半導體PDSA 2020-06-22 00:00

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摘要

由于電動馬達占工業大部分的耗電量，工業傳動的能源效率成為一大關鍵挑戰。因此，半導體制造商必須花費大量心神，來強化轉換器階段所使用功率元件之效能。意法半導體（ST）最新的碳化硅金屬氧化物半導體場效電晶體（SiC MOSFET）技術，為電力切換領域立下全新的效能標準。

本文將強調出無論就能源效率、散熱片尺寸或節省成本方面來看，工業傳動不用硅基（Si）絕緣柵雙極電晶體（IGBT）而改用碳化硅MOSFET有哪些優點。

1.導言

目前工業傳動通常採用一般所熟知的硅基IGBT反相器（inverter），但最近開發的碳化硅MOSFET元件，為這個領域另外開辟出全新的可能性。

意法半導體的碳化硅MOSFET技術，不但每單位面積的導通電阻非常之低，切換效能絕佳，而且跟傳統的硅基續流二極體（FWD）相比，內接二極體關閉時的反向恢復能量仍在可忽略范圍內。

考量到幫浦、風扇和伺服驅動等工業傳動都必須持續運轉，利用碳化硅MOSFET便有可能提升能源效率，并大幅降低能耗。

本文將比較1200V碳化硅MOSFET和Si IGBT的主要特色，兩者皆採ACEPACK?封裝，請見表1。

【表1：元件分析】

本文將利用意法半導體的PowerStudio軟體，將雙脈波測試的實驗數據和統計測量結果套用在模擬當中。模擬20kW的工業傳動，并評估每個解決方案每年所耗電力，還有冷卻系統的要求。

2.主要的技術關鍵推手和應用限制

以反相器為基礎的傳動應用，最常見的拓撲就是以6個電源開關連接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）上的硬開關換流運作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉距。因為電感性負載的關係，每次換流都需要6個反平行二極體執行續流相位。當下旁（lower side）飛輪二極體呈現反向恢復，電流的方向就會和上旁（upper side）開關相同，反之亦然；因此，開啟狀態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因為反向恢復電流和恢復時間的數值都低很多，因此能大幅減少恢復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在開啟狀態下的換流情形。請看藍色條紋區塊，碳化硅MOSFET的反向恢復電流和反向恢復時間都減少很多。開啟和關閉期間的換流速度加快可減少開關時的電源耗損，但開關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。

【圖1：開啟狀態的碳化硅MOSFET】

【圖2：開啟狀態的硅基IGBT】

除此之外，影響工業傳動的重要參數之一，就是反相器輸出的快速換流暫態造成損害的風險。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。

【圖3：關閉狀態的硅基MOSFET】

【圖4：關閉狀態的硅基IGBT】

3.靜態與動態效能

以下將比較兩種技術的靜態和動態特質，設定條件為一般運作，接面溫度TJ = 110 °C。

圖5為兩種元件的輸出靜態電流電壓特性曲線（V-I curves）。兩相比較可看出無論何種狀況下碳化硅MOSFET的優勢都大幅領先，因為它的電壓呈現線性向前下降。

即使碳化硅MOSFET必須要有V_GS = 18 V才能達到很高的R_DS(ON)，但可保證靜態效能遠優于硅基IGBT，能大幅減少導電耗損。

【圖5：比較動態特質】

兩種元件都已經利用雙脈波測試，從動態的角度加以分析。兩者的比較是以應用為基礎，例如600 V匯流排直流電壓，開啟和關閉的dv/dt均設定為5 V/ns。

圖6為實驗期間所測得數據之摘要。跟硅基IGBT相比，在本實驗分析的電流范圍以內，碳化硅MOSFET的開啟和關閉能耗都明顯較低（約減少50%），甚至在5 V/ns的狀況下亦然。

【圖6：動態特色的比較】

4.電熱模擬

為比較兩種元件在一般工業傳動應用的表現，我們利用意法半導體的PowerStudio軟體進行電熱模擬。模擬設定了這類應用常見的輸入條件，并使用所有與溫度相關的參數來估算整體能源耗損。

用來比較的工業傳動，標稱功率為20 kW，換流速度為5V/ns（輸入條件如表2所列）。

【表2：模擬條件】

設定4kHz和8 kHz兩種不同切換頻率，以凸顯使用解決方案來增加f_sw之功能有哪些好處。

因為考量到隨著時間推移，所有馬達通常要在不同的作業點運轉，所以我們利用一些基本假設來計算傳動的功率損耗。依照定義IE等級成套傳動模組（CDM）的EN 50598-2標準，還有新型IES等級的電氣傳動系統（PDS），我們將兩個作業點套用在模擬中：一是50%扭矩所產生的電流，第二個則為100%，對我們的應用來說這代表輸出電流分別為24和40 A_rms。

若以最大負載點而論（100%扭力電流），兩種元件的散熱片熱電阻都選擇維持大約110 °C的接面溫度。

圖7在50%扭力電流和切換頻率4-8 kHz的狀況下，比較了碳化硅MOSFET和硅基IGBT解決方案的功率耗損。

【圖7：50%扭力電流下每個開關的功率耗損】

【圖8：100%扭力電流下每個開關的功率耗損】

圖8則是在100%扭力電流下以同樣方式進行比較。

功率耗損分為開關（傳導和切換）和反平行二極體，以找出主要差別。和硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET解決方案很明顯可大幅降低整體功率損耗。有這樣的結果是因為無論靜態和動態狀況下，不分開關或二極體，功率耗損都會減少。

最后，無論是4或8 kHz的切換頻率，兩種負載狀況的功率耗損減少都落在50%范圍以內。

從這些結果可以看出，這樣做就能達成更高的能源效率，減少散熱片的散熱需求，對重量、體積和成本來說也都有好處。

表3總結了整個反相器相關功率耗損的模擬結果（作業點100%），以及為了讓兩種元件接面溫度維持在110 °C所必需的相關散熱片熱電阻條件。

【表3：模擬結果概況（作業點100%）】

在模擬所設定的條件下，當8 kHz時Rth會從硅基IGBT的0.22 °C/W降到碳化硅MOSFET的0.09 °C/W。大幅減少代表散熱片可減容5:1（就強制對流型態的產品而言），對系統體積、重量和成本有明顯好處。在4 kHz的狀況下，Rth會從0.35降到0.17 °C/W，相當于4:1容減。

5.對能源成本的經濟影響

當工業應用對能源的需求較高且必須密集使用，能源效率就成了關鍵因素之一。

為了將模擬的能源耗損數據結果轉換成能源成本比較概況，必須就年度的負載設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，設定一些基本假設。為達到簡化的目的，我們把狀況設定在只含兩種功率位階（負載因素100和50%）的基本負載設定檔。設定檔1和設定檔2的差別，只在于每個功率位準持續的時間長短。為凸顯能源成本的減少，我們將狀況設定為持續運作的工業應用。任務檔案1設定為每年有60%的時間處于負載50%，其他時間（40%）負載100%。任務檔案2也是這樣。

對于每個任務檔案全年能源成本的經濟影響，乃以0.14 €/kWh為能源成本來計算（歐洲統計局數據，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。

【表4：碳化硅MOSFET每年為每個任務檔案所省下的能源和成本】

6.結論

本文針對採用1200V硅基IGBT和碳化硅MOSFET之工業傳動用反相器，進行了效能基準測試。內容還特別探討馬達繞線和軸承保護所導致在電壓變動比率方面的技術限制，接著在20 kW工業傳動條件下，針對上述技術與限制進行比較。結果顯示，使用碳化硅MOSFET取代硅基IGBT可大幅增加電力能源效率，即使換流速度限制在5 V/ns。比較成本后也發現，在特定的假設條件下，這種做法可減少一般工業傳動應用的能源費用支出。