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看看使用碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅(qū)動(dòng)器的能源效率詳解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2020-06-15 

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看看使用碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅(qū)動(dòng)器的能源效率詳解

目前工業(yè)傳動(dòng)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(gè)領(lǐng)域另外開闢出全新的可能性。


主要的技術(shù)關(guān)鍵推手和應(yīng)用限制

以反相器為基礎(chǔ)的傳動(dòng)應(yīng)用,最常見的拓?fù)渚褪且?個(gè)電源開關(guān)連接3個(gè)半橋接電橋臂。


每一個(gè)半橋接電橋臂,都是以歐姆電感性負(fù)載(馬達(dá))上的硬開關(guān)換流運(yùn)作,藉此控制它的速度、位置或電磁轉(zhuǎn)距。因?yàn)殡姼行载?fù)載的關(guān)係,每次換流都需要6個(gè)反平行二極體執(zhí)行續(xù)流相位。當(dāng)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(shí),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?yàn)榉聪蚧謴?fù)電流和恢復(fù)時(shí)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(lán)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(shí)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(shí)的電源耗損,但開關(guān)換流的速度還是有一些限制,因?yàn)榭赡茉斐呻姶鸥蓴_、電壓尖峰和振盪問題惡化。

MOSFET,碳化硅


除此之外,影響工業(yè)傳動(dòng)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(xiǎn)。換流時(shí)電壓變動(dòng)的比率(dv/dt)較高,馬達(dá)線路較長時(shí)確實(shí)會增加電壓尖峰,讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴(yán)重,長久以往可能導(dǎo)致繞組絕緣和馬達(dá)軸承故障。因此為了保障可靠度,一般工業(yè)傳動(dòng)的電壓變動(dòng)率通常在5-10 V/ns。


雖然這個(gè)條件看似會限制碳化硅MOSFET的實(shí)地應(yīng)用,因?yàn)榭焖贀Q流就是它的主要特色之一,但專為馬達(dá)控制所量身訂做的1200 V 硅基IGBT,其實(shí)可以在這些限制之下展現(xiàn)交換速度。在任何一個(gè)案例當(dāng)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(shí)都保證能減少能源耗損,即使是在5 V/ns的強(qiáng)制條件下。

MOSFET,碳化硅


靜態(tài)與動(dòng)態(tài)效能

以下將比較兩種技術(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特質(zhì),設(shè)定條件為一般運(yùn)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?yàn)樗碾妷撼尸F(xiàn)線性向前下降。


即使碳化硅MOSFET必須要有VGS = 18 V才能達(dá)到很高的RDS(ON),但可保證靜態(tài)效能遠(yuǎn)優(yōu)于硅基IGBT,能大幅減少導(dǎo)電耗損。

MOSFET,碳化硅


兩種元件都已經(jīng)利用雙脈波測試,從動(dòng)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(shí)驗(yàn)期間所測得數(shù)據(jù)之摘要。跟硅基IGBT相比,在本實(shí)驗(yàn)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。

MOSFET,碳化硅


碳化硅MOSFET對能源成本的經(jīng)濟(jì)影響

當(dāng)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(fù)載設(shè)定檔和能源成本這些會隨著時(shí)間或地點(diǎn)而有所不同的參數(shù),設(shè)定一些基本假設(shè)。為達(dá)到簡化的目的,我們把狀況設(shè)定在只含兩種功率位階(負(fù)載因素100和50%)的基本負(fù)載設(shè)定檔。設(shè)定檔1和設(shè)定檔2的差別,只在于每個(gè)功率位準(zhǔn)持續(xù)的時(shí)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(yùn)作的工業(yè)應(yīng)用。任務(wù)檔案1設(shè)定為每年有60%的時(shí)間處于負(fù)載50%,其他時(shí)間(40%)負(fù)載100%。


對于每個(gè)任務(wù)檔案全年能源成本的經(jīng)濟(jì)影響,乃以0.14 €/kWh為能源成本來計(jì)算(歐洲統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),以非家庭用戶價(jià)格計(jì)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(dòng)比率限制不那麼嚴(yán)格,則可省更多。

MOSFET,碳化硅


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