使用碳化硅MOSFET提升工业驱动器的能源效率详情

目前工业传动通常採用一般所熟知的硅基IGBT反相器（inverter），但最近开发的碳化硅MOSFET元件，为这个领域另外开闢出全新的可能性。

主要的技术关键推手和应用限制

以反相器为基础的传动应用，最常见的拓扑就是以6个电源开关连接3个半桥接电桥臂。

每一个半桥接电桥臂，都是以欧姆电感性负载（马达）上的硬开关换流运作，藉此控制它的速度、位置或电磁转距。因为电感性负载的关係，每次换流都需要6个反平行二极体执行续流相位。当下旁（lower side）飞轮二极体呈现反向恢复，电流的方向就会和上旁（upper side）开关相同，反之亦然；因此，开启状态的换流就会电压过衝（overshoot），造成额外的功率耗损。这代表在切换时，二极体的反相恢复对功率损失有很大的影响，因此也会影响整体的能源效率。

跟硅基FWD搭配硅基IGBT的作法相比，碳化硅MOSFET因为反向恢复电流和恢复时间的数值都低很多，因此能大幅减少恢复耗损以及对能耗的影响。

图1和图2分别为50 A-600 VDC状况下，碳化硅MOSFET和硅基IGBT在开启状态下的换流情形。请看蓝色条纹区块，碳化硅MOSFET的反向恢复电流和反向恢复时间都减少很多。开启和关闭期间的换流速度加快可减少开关时的电源耗损，但开关换流的速度还是有一些限制，因为可能造成电磁干扰、电压尖峰和振盪问题恶化。

除此之外，影响工业传动的重要参数之一，就是反相器输出的快速换流暂态造成损害的风险。换流时电压变动的比率（dv/dt）较高，马达线路较长时确实会增加电压尖峰，让共模和微分模式的寄生电流更加严重，长久以往可能导致绕组绝缘和马达轴承故障。因此为了保障可靠度，一般工业传动的电压变动率通常在5-10 V/ns。

虽然这个条件看似会限制碳化硅MOSFET的实地应用，因为快速换流就是它的主要特色之一，但专为马达控制所量身订做的1200 V 硅基IGBT，其实可以在这些限制之下展现交换速度。在任何一个案例当中，无论图1、图2、图3、图4都显示，跟硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET元件开启或关闭时都保证能减少能源耗损，即使是在5 V/ns的强制条件下。

静态与动态效能

以下将比较两种技术的静态和动态特质，设定条件为一般运作，接面温度TJ = 110℃。图5为两种元件的输出静态电流电压特性曲线（V-I curves）。两相比较可看出无论何种状况下碳化硅MOSFET的优势都大幅领先，因为它的电压呈现线性向前下降。

即使碳化硅MOSFET必须要有VGS = 18 V才能达到很高的RDS（ON），但可保证静态效能远优于硅基IGBT，能大幅减少导电耗损。

两种元件都已经利用双脉波测试，从动态的角度加以分析。两者的比较是以应用为基础，例如600 V汇流排直流电压，开启和关闭的dv/dt均设定为5 V/ns。

图6为实验期间所测得数据之摘要。跟硅基IGBT相比，在本实验分析的电流范围以内，碳化硅MOSFET的开启和关闭能耗都明显较低（约减少50%），甚至在5 V/ns的状况下亦然。

碳化硅MOSFET对能源成本的经济影响

当工业应用对能源的需求较高且必须密集使用，能源效率就成了关键因素之一。

为了将模拟的能源耗损数据结果转换成能源成本比较概况，必须就年度的负载设定档和能源成本这些会随著时间或地点而有所不同的参数，设定一些基本假设。为达到简化的目的，我们把状况设定在只含两种功率位阶（负载因素100和50%）的基本负载设定档。设定档1和设定档2的差别，只在于每个功率位准持续的时间长短。为凸显能源成本的减少，我们将状况设定为持续运作的工业应用。任务档案1设定为每年有60%的时间处于负载50%，其他时间（40%）负载100%。

对于每个任务档案全年能源成本的经济影响，乃以0.14 €/kWh为能源成本来计算（欧洲统计局数据，以非家庭用户价格计算）。

从表4可以看出，碳化硅MOSFET每年可省下895.7到1415 kWh的能源。每年可省下的对应成本在125.4到198.1欧元之间，如电压变动比率限制不那麽严格，则可省更多。

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