碳化硅用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)
0 引言
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。
圖1 寬禁帶優(yōu)勢(shì)
1 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(圖1)。功率電子開關(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,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)Si 器件相比,SiC 漏電流小,而且在更大的溫度范圍內(nèi)很穩(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3 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2 倍,這使得開關(guān)速度更快。更快的開關(guān)具有更低的開關(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)切割晶錠。
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)。
2 改進(jìn)三相逆變器
三相逆變器是可變速高壓電機(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,用于支持電機(jī)電流換向。3 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30%的開關(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。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。較小的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可直接安裝在電機(jī)殼體上,從而減少電纜和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器柜。
WBG 器件開關(guān)速度很快,這減少了開關(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)電機(jī)繞組的絕緣產(chǎn)生應(yīng)力。一種解決方案是使用門極電阻來(lái)減慢開關(guān)速度,但隨后開關(guān)損耗會(huì)回升至IGBT 的水平。另一種解決方案是在電機(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),應(yīng)確保印刷電路板(PCB)的布局正確。所有電源回路和走線要短,器件排列緊密。即使是門極驅(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)化布局的更快的解決方案。功率模塊可減少需要連到散熱器上的器件數(shù)量,從而節(jié)省PCB面積并簡(jiǎn)化熱管理。
3 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(如圖2)、1 200 V 及1 700 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1 200 V 版本,采用3 引線和4 引線封裝。我們正在開發(fā)一個(gè)基于SiC MOSFET 的三相逆變器模塊。最后,我們還提供專為SiC 開關(guān)設(shè)計(jì)的非隔離型和電隔離型門極驅(qū)動(dòng)器,以構(gòu)成全面的解決方案。
圖2 安森美半導(dǎo)體的新的650 V SiC MOSFET
4 結(jié)束語(yǔ)
SiC 器件的快速開關(guān)和更低損耗使其成為高效、集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的重要解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可縮小電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的尺寸并使其更靠近電機(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。
(本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年6月期)
評(píng)論