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碳化硅如何為電機(jī)驅(qū)動(dòng)賦能

發(fā)布時(shí)間:2021-08-05 來(lái)源:安森美半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】近年來(lái),電力電子領(lǐng)域最重要的發(fā)展是所謂的寬禁帶(WBG)材料的興起,即碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。WBG材料的特性有望實(shí)現(xiàn)更小、更快、更高效的電力電子產(chǎn)品。WBG功率器件已經(jīng)對(duì)從普通的電源和充電器到太陽(yáng)能發(fā)電和能量存儲(chǔ)的廣泛應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。SiC功率器件進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間比氮化鎵長(zhǎng),通常用于更高電壓、更高功率的應(yīng)用。
 

前言
 
近年來(lái),電力電子領(lǐng)域最重要的發(fā)展是所謂的寬禁帶(WBG)材料的興起,即碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)。WBG材料的特性有望實(shí)現(xiàn)更小、更快、更高效的電力電子產(chǎn)品。WBG功率器件已經(jīng)對(duì)從普通的電源和充電器到太陽(yáng)能發(fā)電和能量存儲(chǔ)的廣泛應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。SiC功率器件進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間比氮化鎵長(zhǎng),通常用于更高電壓、更高功率的應(yīng)用。
 
電機(jī)在工業(yè)應(yīng)用的總功率中占了相當(dāng)大的比例。它們被用于暖通空調(diào)(HVAC)、重型機(jī)器人、物料搬運(yùn)和許多其他功能。提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)的能效和可靠性是降低成本的一個(gè)重要途徑。SiC在高功率工業(yè)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用越來(lái)越多。SiC的獨(dú)特性能使其成為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的首選電力電子材料。
 
碳化硅如何為電機(jī)驅(qū)動(dòng)賦能
 
SiC材料特性
 
SiC是一種半導(dǎo)體材料,它的帶隙(3.26 eV)比硅(1.12 eV)大,對(duì)電力電子器件來(lái)說(shuō)有許多有利的特性。
 
SiC的介電擊穿強(qiáng)度比硅高10倍。功率電子開(kāi)關(guān)最重要的功能之一是保持高電壓。由于介電強(qiáng)度高,SiC可支持高電壓在較短的距離內(nèi)通過(guò)器件。這個(gè)距離也是垂直器件中溝道和漏極觸點(diǎn)之間的漂移區(qū)域。更短的漂移區(qū)域降低了器件的電阻,并直接使產(chǎn)生的功率損耗更低。
 
寬帶隙也減少了熱激發(fā)載流子的數(shù)量,導(dǎo)致自由電子減少,漏電流降低。此外,與傳統(tǒng)的Si器件相比,漏電流小,而且在更大的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定。這使得SiC MOSFET和二極管成為高溫應(yīng)用的更高效選擇。
 
SiC的熱導(dǎo)率比硅高三倍,可實(shí)現(xiàn)更好的散熱。功率電子器件的散熱是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。SiC的熱導(dǎo)率使開(kāi)關(guān)的工作溫度和熱應(yīng)力降低。
 
最后,SiC的電子飽和速度是硅的兩倍,這使得開(kāi)關(guān)速度更快。更快的開(kāi)關(guān)具有更低的開(kāi)關(guān)損耗,可以在更高的脈寬調(diào)制(PWM)頻率下工作。在一些電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,更高的PWM頻率允許使用更小、更輕和更便宜的無(wú)源元件,這些元件往往是系統(tǒng)中最大和最昂貴的部分。
 
制造SiC晶圓(半導(dǎo)體器件的原材料)的過(guò)程比制造Si晶圓更具挑戰(zhàn)性。硅晶錠可以從熔體中拉出,而碳化硅晶錠必須通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在真空室中生長(zhǎng)。這是個(gè)緩慢的過(guò)程,而且要使生長(zhǎng)缺陷數(shù)可接受是很難的。SiC是一種相對(duì)較硬、較脆的材料(通常用于工業(yè)切割),因此,需要特殊的工藝來(lái)從晶錠中切割晶圓。
 
安森美半導(dǎo)體有多個(gè)SiC基板的供應(yīng)協(xié)議,可確保產(chǎn)能滿(mǎn)足SiC需求的增長(zhǎng)。此外,我們正發(fā)展SiC基板的內(nèi)部供應(yīng)。
 
碳化硅如何為電機(jī)驅(qū)動(dòng)賦能
圖1:寬禁帶優(yōu)勢(shì)
 
改進(jìn)三相逆變器
 
三相逆變器是可變速高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)方案,其硅IGBT與反并聯(lián)二極管共同封裝,用于支持電動(dòng)機(jī)電流換向。三個(gè)半橋相位驅(qū)動(dòng)逆變器的三相線圈,以提供正弦電流波形并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
 
有幾種方法可用SiC提高系統(tǒng)的性能。逆變器中浪費(fèi)的能量由導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗組成。SiC器件會(huì)影響這兩種損耗機(jī)制。
 
用SiC肖特基勢(shì)壘二極管代替反并聯(lián)硅二極管變得越來(lái)越普遍。Si反向二極管有反向恢復(fù)電流,這會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗并產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。
 
SiC二極管的優(yōu)點(diǎn)是幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)電流,可降低達(dá)30%的開(kāi)關(guān)損耗,并可能減少對(duì)EMI濾波器的需求。同樣,反向恢復(fù)電流在導(dǎo)通時(shí)會(huì)增加集電極電流,因此SiC二極管會(huì)減小流過(guò)IGBT的峰值電流,從而提高系統(tǒng)的可靠性。
 
提高逆變器能效的下一步是用SiC MOSFET完全取代IGBT。SiC MOSFET可降低5倍開(kāi)關(guān)損耗,從而進(jìn)一步提高能效。SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗可以是相同額定電流的Si IGBT的一半,具體取決于器件的選擇。
 
能效的提高導(dǎo)致更少的散熱。然后,設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)縮小冷卻系統(tǒng)或完全消除主動(dòng)冷卻來(lái)降低成本。然后,較小的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器可直接安裝在電動(dòng)機(jī)殼體上,從而減少電纜和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器柜。
 
WBG器件開(kāi)關(guān)速度很快,這減少了開(kāi)關(guān)損耗,但帶來(lái)了其他挑戰(zhàn)。較高的dv/dt會(huì)產(chǎn)生噪聲,并可能導(dǎo)致對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣產(chǎn)生應(yīng)力。
 
一種解決方案是使用門(mén)極電阻來(lái)減慢開(kāi)關(guān)速度,但隨后開(kāi)關(guān)損耗會(huì)回升至IGBT的水平。
 
另一種解決方案是在電動(dòng)機(jī)相位上放置一個(gè)濾波器。濾波器尺寸隨PWM頻率的增加而縮小,可在散熱性和濾波器成本之間進(jìn)行權(quán)衡。
 
快速開(kāi)關(guān)功率器件不能耐受逆變器電路中的雜散電感和電容。所謂的“寄生”電感會(huì)由于開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的高瞬變而導(dǎo)致電壓尖峰。為消除寄生效應(yīng),請(qǐng)確保印刷電路板(PCB)的布局正確。所有電源回路和走線應(yīng)短,器件排列緊密。即使是門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路也應(yīng)謹(jǐn)慎地最小化,以減少由于噪聲而導(dǎo)致不想要的器件導(dǎo)通的可能。
 
功率模塊以正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將多個(gè)器件集成在一起用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)(以及其他),從而提供了一種具有低寄生電感和優(yōu)化布局的更快解決方案。功率模塊減少需要連到散熱器上的器件數(shù)量,從而節(jié)省了PCB面積并簡(jiǎn)化了熱管理。
 
安森美半導(dǎo)體的方案
 
安森美半導(dǎo)體提供不斷擴(kuò)增的SiC器件陣容,適用于廣泛應(yīng)用。
 
我們的SiC二極管有650 V、1200 V及1700 V版本,采用TO-220、TO-247、DPAK及D2PAK封裝。我們還將SiC二極管與IGBT共同封裝,以獲得平衡性能和成本的混合解決方案。
 
我們的SiC MOSFET,有650 V(新發(fā)布的?。?、900 V和1200 V版本,采用3引線和4引線封裝,我們正在開(kāi)發(fā)一個(gè)基于SiC MOSFET的三相逆變器模塊。
 
最后,我們還提供專(zhuān)為SiC開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的非隔離型和電隔離型門(mén)極驅(qū)動(dòng)器,以構(gòu)成全面的解決方案。
 
碳化硅如何為電機(jī)驅(qū)動(dòng)賦能
圖2:安森美半導(dǎo)體的新的650 V SiC MOSFET
 
總結(jié)
 
SiC器件的快速開(kāi)關(guān)和更低損耗使其成為高效、集成電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的重要解決方案。如上所述,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可縮小電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的尺寸并使其更靠近電動(dòng)機(jī),以降低成本并提高可靠性。安森美半導(dǎo)體提供的用于SiC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的廣泛且不斷擴(kuò)增的器件和系統(tǒng)適用于廣泛的工業(yè)應(yīng)用。
 
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