功率半導(dǎo)體－馬達(dá)變頻器內(nèi)的關(guān)鍵組件

全球有約 30% 的發(fā)電量用于驅(qū)動(dòng)工業(yè)應(yīng)用中的馬達(dá)，而全球工業(yè)產(chǎn)業(yè)消耗的能源量預(yù)期到 2040 年將成長(zhǎng)一倍。隨著對(duì)能源成本和資源有限的意識(shí)不斷提高，未來提升驅(qū)動(dòng)馬達(dá)用電效率的需求將會(huì)越來越顯著。

電動(dòng)馬達(dá)型塑了世界的面貌，且將繼續(xù)從各個(gè)層面改變世界，包括從可以自動(dòng)執(zhí)行簡(jiǎn)單家庭功能的小型馬達(dá)，到名副其實(shí)能搬動(dòng)整座山的重型馬達(dá)都有。目前使用中的電動(dòng)馬達(dá)的數(shù)量和種類極其驚人，要知道電動(dòng)馬達(dá)及其控制系統(tǒng)幾乎占了全球一半的耗電量，這可一點(diǎn)都不足為奇。

進(jìn)一步細(xì)看，全球有約 30% 的發(fā)電量用于驅(qū)動(dòng)工業(yè)應(yīng)用中的馬達(dá) ^[1]。絕對(duì)而言，全球工業(yè)產(chǎn)業(yè)消耗的能源量預(yù)期到 2040 年將成長(zhǎng)一倍。隨著對(duì)能源成本和資源有限的意識(shí)不斷提高，從環(huán)境和財(cái)務(wù)這兩個(gè)方面來看，提升驅(qū)動(dòng)馬達(dá)用電效率的需求只會(huì)越來越顯著。

低電壓驅(qū)動(dòng)器──需求和要求

從市場(chǎng)（標(biāo)準(zhǔn)型和精簡(jiǎn)型） 的低電壓區(qū)隔來看，其應(yīng)用可分為輕型或重型兩種。以驅(qū)動(dòng)器而言，其主要差異在于，諸如幫浦和風(fēng)扇等應(yīng)用于短暫的加速期間，輕型馬達(dá)和控制系統(tǒng)的變頻器輸出電流通常必須維持在 110% 的超載（圖 1）。重型馬達(dá)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一般則需要能承受高達(dá)變頻器額定電流150% 的過載。較高的過載電流大多是為了因應(yīng)在其余事物中傳送帶加速階段的需求。

圖1 : 過載能力系指在110%（輕型/正常負(fù)載）至150%（重型負(fù)載）加速運(yùn)作時(shí)電流高于額定值的期間

適用于驅(qū)動(dòng)器的 IGBT7

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有著獨(dú)特的特定要求，需要采用全新的IGBT設(shè)計(jì)方法。采用正確的IGBT技術(shù)，才可能打造出符合這些需求的模塊。因此英飛凌采用了最新一代 IGBT技術(shù)：IGBT7。IGBT7在芯片層級(jí)使用了微圖案溝槽（MPT），其結(jié)構(gòu)明顯有助于降低正向電壓并提高漂移區(qū)的導(dǎo)電率。對(duì)于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等有著適中切換頻率的應(yīng)用，IGBT7 與前幾代產(chǎn)品相比，則能顯著降低損耗 ^[2]。

IGBT7 比前一代產(chǎn)品（IGBT4）更出色的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)則是飛輪二極管，同樣針對(duì)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。此外，射極控制二極管 EC7 的正向壓降現(xiàn)在比EC4二極管的正向壓降少了100 mV，反向恢復(fù)柔軟度更為優(yōu)異。

適用于伺服驅(qū)動(dòng)器的 SiC MOSFET

隨著各產(chǎn)業(yè)使用越來越多的自動(dòng)化功能，對(duì)伺服馬達(dá)的需求也相應(yīng)提高。它們將精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制與高扭力相結(jié)合，非常適合用于自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)。

英飛凌憑借其在制造上的專業(yè)知識(shí)和長(zhǎng)期以來的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了一種 SiC 溝槽技術(shù)，此技術(shù)比IGBT具有更高的效能，且相當(dāng)耐用，例如短路時(shí)間僅有2 μs ^[3] 或甚至3 μs ^[4]。英飛凌的CoolSiC? MOSFET同時(shí)也解決了SiC裝置固有的一些潛在問題，例如非預(yù)期的電容導(dǎo)通。此外，SiC MOSFET采用符合產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 TO247-3 封裝，現(xiàn)在采用的 TO247-4 封裝甚至具有更優(yōu)異的開關(guān)效能。除了這些TO封裝，SiC MOSFET也提供Easy 1B和Easy 2B封裝。

對(duì)比于相應(yīng)的IGBT替代選項(xiàng)，1200 V CoolSiC? MOSFET的開關(guān)損耗最高降低80%，且還有損耗不受溫度影響的附加優(yōu)勢(shì)。不過，如同IGBT7，也可以透過閘極電阻控制開關(guān)行為（dv/dt），帶來更出色的設(shè)計(jì)彈性。

圖2 : SiC MOSFET可簡(jiǎn)化馬達(dá)內(nèi)的變頻器整合 ^[5]

因此，采用CoolSiC? MOSFET 技術(shù)的驅(qū)動(dòng)解決方案由于恢復(fù)、導(dǎo)通、關(guān)斷和導(dǎo)通損耗都更為降低，整體損耗可降低高達(dá)50%（假設(shè) dv/dt類似）。尤其在輕負(fù)載狀況下，CoolSiC? MOSFET 的傳導(dǎo)損耗也比 IGBT 更低。

除了整體來說更高的效率和更低的損耗以外，SiC 技術(shù)還可以達(dá)到更高的開關(guān)頻率，對(duì)動(dòng)態(tài)控制環(huán)境中的外部和整合伺服驅(qū)動(dòng)器都有直接的效益。而這全都是得益于，在馬達(dá)負(fù)載不斷變化的狀況下，馬達(dá)電流的響應(yīng)速度更快所致。

全面整合

將整流器、斬波器和變頻器整合到單一模塊，能在功率密度和切換效率上發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，但馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)也需要封閉回路系統(tǒng)才能正確有效地發(fā)揮作用。

更具體而言，無論使用何種開關(guān)技術(shù)，都必須要有適當(dāng)?shù)拈l極驅(qū)動(dòng)器解決方案。要透過閘極驅(qū)動(dòng)器，才能將用于打開和關(guān)閉開關(guān)裝置的低電壓控制訊號(hào)轉(zhuǎn)換為開關(guān)本身所需要的高電壓驅(qū)動(dòng)訊號(hào)。一般來說，控制訊號(hào)將來自主機(jī)處理器。但由于每種開關(guān)技術(shù)在輸入電容和驅(qū)動(dòng)電位方面都有其獨(dú)特的特性，因此必須將其與適當(dāng)?shù)拈l極驅(qū)動(dòng)器相匹配。英飛凌為 Si MOSFET、Si IGBT、SiC MOSFET 和 GaN-HEMT 提供經(jīng)過優(yōu)化的閘極驅(qū)動(dòng)器。

控制回路中最后一個(gè)但同等重要的組件是傳感器，傳感器也為馬達(dá)和控制器之間提供部分的反饋，大多透過使用電流傳感器來達(dá)成。英飛凌開發(fā)了一款霍爾效應(yīng)解決方案，能免去使用鐵磁集中器，讓設(shè)計(jì)變得更簡(jiǎn)單且干擾更少，是全整合伺服馬達(dá)的理想選擇。

XENSIV?系列電流傳感器（例如 TLI4971）為差分型的霍爾電流傳感器，可提供高磁場(chǎng)范圍和低偏移值。此外，這些裝置沒有磁滯現(xiàn)象，并具有良好的雜散場(chǎng)抗擾性。由于采用無核心概念，使其可達(dá)到小巧的尺寸，支持高整合度，加上具有超低功率損耗和功能性隔離，極其彈性可靠。

參考數(shù)據(jù)

[1] https://www.globalefficiencyintel.com/new-blog/2017/infographic-energy-industrial-motor-systems

[2] Application Note “TRENCHSTOP? 1200 V IGBT7”, https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN_201814_Trenchstop_1200V_IGBT7-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46265487f7b01656b173ddc3600

[3] Datasheet FF45MR12W1M1_B11 Revision 2.2, 2020-03-27, https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-FF45MR12W1M1_B11-DataSheet-v02_02-EN.pdf?fileId=5546d46266f85d6301670c714a15315c

[4] Datasheet IMW120R030M1H Revision 2.1, 2019-12-10, https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IMW120R030M1H-DataSheet-v02_01-EN.pdf?fileId=5546d46269e1c019016a92fde38b669a

[5] H. Weng, et. al, “An integrated servo motor drive with self-cooling design by using SiC-MOSFET” Proc. PCIM Asia, 2020, in press