【導(dǎo)讀】根據(jù)最保守的估計(jì)，電機(jī)占全球工業(yè)用電量的 50% 以上，占全球用電量的 45%。哪怕只是提高一點(diǎn)點(diǎn)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，都將極大地影響全球能源消耗，并減少對(duì)環(huán)境的影響。為了解決全球范圍內(nèi)的能源消耗問題，越來越嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，這給電力電子設(shè)計(jì)人員帶來了新的挑戰(zhàn)。
根據(jù)最保守的估計(jì)，電機(jī)占全球工業(yè)用電量的 50% 以上，占全球用電量的 45%。哪怕只是提高一點(diǎn)點(diǎn)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，都將極大地影響全球能源消耗，并減少對(duì)環(huán)境的影響。為了解決全球范圍內(nèi)的能源消耗問題，越來越嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，這給電力電子設(shè)計(jì)人員帶來了新的挑戰(zhàn)。
Wolfspeed 碳化硅（SiC）為提高工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率，提供了出色的解決方案，只需用碳化硅替換傳統(tǒng) IGBT，即可實(shí)現(xiàn) 2.4% 甚至更高的效率增益。利用碳化硅進(jìn)行進(jìn)一步的重新設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的集成，從而創(chuàng)建更小、更輕的嵌入式工業(yè)驅(qū)動(dòng)器。
在本文中，我們將探討 Wolfspeed WolfPACK 功率模塊如何將損耗降低高達(dá) 50%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更小、更輕、熱穩(wěn)定性更高的嵌入式 25 kW 三相工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
采用碳化硅通過更小的散熱器實(shí)現(xiàn)更高的效率
典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一個(gè) AC-DC（有源前端）級(jí)和一個(gè) DC-AC（逆變器）級(jí)所組成。在具有 45 kHz 開關(guān)頻率的六開關(guān)有源前端（AFE）的 25 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)比 20 kHz 硅開關(guān)作為基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以將前端級(jí)的效率提高 1.3%。當(dāng) Wolfspeed 30 A 額定功率模塊與 100 A 額定硅 IGBT 模塊（兩者均以 8 kHz 開關(guān)）進(jìn)行保守的基準(zhǔn)比較時(shí)，逆變器也可以實(shí)現(xiàn)類似的改進(jìn)。這兩項(xiàng)變化共同帶來令人印象深刻的 2.6% 效率提升，整個(gè)系統(tǒng)損耗減少 50%，并幫助集成式電機(jī)達(dá)到 IE4 效率標(biāo)準(zhǔn)，原始系統(tǒng)則僅達(dá)到 IE3 標(biāo)準(zhǔn)。
如上圖表明，在具有 0.8 L 散熱器的 25 kW 逆變器中，使用 Wolfspeed 碳化硅六管集成 WolfPACK 模塊與傳統(tǒng)硅 IGBT 模塊相比，效率有所提高。隨著功率水平的增加，50 A 和 100 A 額定硅 IGBT 的結(jié)溫升高，導(dǎo)致它們失效，而 Wolfspeed 32 A 碳化硅 MOSFET 則保持穩(wěn)定，并遠(yuǎn)低于失效溫度閾值。
值得注意的是，上述效率提升不僅出現(xiàn)在峰值負(fù)載下，也出現(xiàn)在部分負(fù)載下。在某些部分負(fù)載下，效率提升更高，非常適合這些機(jī)器的典型負(fù)載曲線。此外，正在測(cè)試的碳化硅器件是額定電流較低的部件，最大負(fù)載時(shí)的結(jié)溫為 105℃，創(chuàng)造了重要的緩沖裕量以最大幅度地提高了允許的系統(tǒng)能力限制，而 50 A IGBT 模塊則明顯超出了限制，并且 100 A IGBT 則稍微超出最大的負(fù)載限制。這里的“限制”被定義為 150℃，這個(gè)最大結(jié)溫是基于功率模塊應(yīng)用系統(tǒng)中允許的常規(guī)要求。
為了確保系統(tǒng)可行、正常運(yùn)行和優(yōu)化，我們使用不同的散熱器，將 IGBT 散熱器尺寸從 0.8 L 增大到 1.37 L，并將碳化硅散熱器尺寸減小 61%，確保提高其結(jié)溫以減少裕量。與 IGBT 相比，碳化硅解決方案的散熱器尺寸減小了77%，盡管進(jìn)行了這些修改，50 A IGBT 仍然明顯高于 150℃ 的溫度限制，但我們的 32 A 部件和 100 A IGBT 最終處于 129℃ 左右的相同結(jié)溫。另外值得注意的是，碳化硅逆變器的效率提高了 1.1%。總之，在三相供電的 25 kW 系統(tǒng)中使用更精簡(jiǎn)且更優(yōu)化的碳化硅散熱器，整體效率提高了 2.4%，損耗減少了 600 W，同時(shí)最初是 IE3 標(biāo)準(zhǔn)的集成電機(jī)仍然可達(dá)到 IE4 效率標(biāo)準(zhǔn)。
無需額外成本即可將全系統(tǒng)損耗減少高達(dá) 50%
碳化硅在工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)級(jí)呈現(xiàn)出巨大的價(jià)值，雖然碳化硅器件的前期成本可能超過傳統(tǒng)硅 IGBT，但更高的開關(guān)頻率和更低的損耗，意味著對(duì)無源器件和散熱器的投資更少。
對(duì)于 25 kW 系統(tǒng)來說，這種優(yōu)化的系統(tǒng)可節(jié)省高達(dá) 605 W，考慮到每年運(yùn)行 8,200 小時(shí)的不同負(fù)載曲線，根據(jù)截至 2023 年 11 月中國(guó)的電費(fèi)計(jì)算，每年可節(jié)省 1,297.8 元人民幣，并在未來 15 年積累節(jié)省約 19,000 元人民幣。用碳化硅器件取代 IGBT 的前期成本可能會(huì)更高，但當(dāng)我們考慮整個(gè)系統(tǒng)成本時(shí)，碳化硅的較高成本可以通過無源器件的減少來抵消，并同時(shí)將工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端系統(tǒng)的效率提升到新的水平。
采用碳化硅的逆變器最值得關(guān)注的改進(jìn)之一，則是顯著減少系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，使設(shè)計(jì)人員能夠使用更小的散熱器，并設(shè)計(jì)整體更小、更輕的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
在圖3中，我們進(jìn)一步支持碳化硅如何在更高的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)卓越的性能。在這里，我們將開關(guān)頻率從 8 kHz 提高到 16 kHz，并使用比同類 IGBT 散熱器小 41% 的散熱器。借助 Wolfspeed 碳化硅 FM3 六管集成功率模塊，我們的效率仍然高于或接近 99%，并且在峰值負(fù)載時(shí)接近 150℃ 的溫度限制。對(duì)于 50 A 和 100 A IGBT，由于開關(guān)損耗增加，我們分別在 10 kW 和 15 kW 左右開始出現(xiàn)熱失效。為了使這些更高額定電流的 IGBT 與 Wolfspeed FM3 碳化硅模塊一樣有效地運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員需要使用更大的散熱器或更高額定電流的部件。有趣的是，碳化硅在 16 kHz 下的逆變器效率仍然高于 IGBT 在 8 kHz 下的逆變器效率。
結(jié)語
總之，用碳化硅替代傳統(tǒng)的硅 IGBT，可以在 25 kW 工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高達(dá) 2.6% 的整體效率提升。在整個(gè)負(fù)載曲線中，可以在更高功率水平下實(shí)現(xiàn)高效率改進(jìn)，從而節(jié)省大量能源。由于無源組件和散熱器更小，碳化硅還提供了更高的功率密度，并帶來整體系統(tǒng)成本和尺寸的優(yōu)化。此外，碳化硅器件的高結(jié)溫可能性、改進(jìn)的散熱，以及較低的損耗，使設(shè)計(jì)人員能夠構(gòu)建更緊湊的系統(tǒng)，從而輕松集成驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。
（作者：Pranjal Srivastava）
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