碳化硅用于电机驱动

2021-02-10安森美半导体

电子产品世界 2021年6期

0 引言

近年来，电力电子领域最重要的发展是所谓的宽禁带（WBG）材料的兴起，即碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。WBG材料的特性有望实现更小、更快、更高效的电力电子产品。WBG功率器件已经对从普通电源和充电器到太阳能发电和能量存储的广泛应用和拓扑结构产生了影响。SiC功率器件进入市场的时间比氮化镓长，通常用于更高电压、更高功率的应用。

电机在工业应用的总功率中占了相当大的比例。它们被用于暖通空调（HVAC）、重型机器人、物料搬运和许多其他功能。提高电机驱动的能效和可靠性是降低成本的一个重要途径。SiC在高功率工业驱动中的应用越来越多。SiC的独特性能使其成为应对这些挑战的首选电力电子材料。

1 SiC材料特性

SiC是一种半导体材料，它的带隙（3.26 eV）比硅（1.12 eV）大，对电力电子器件来说有许多有利的特性。

SiC的介电击穿强度比硅高10倍（图1）。功率电子开关最重要的功能之一是保持高电压。由于介电强度高，SiC可支持高电压在较短的距离内通过器件。这个距离也是垂直器件中沟道和漏极触点之间的漂移区域。更短的漂移区域降低了器件的电阻，使产生的功率损耗更低。

宽带隙也减少了热激发载流子的数量，导致自由电子减少，漏电流降低。此外，与传统Si器件相比，SiC漏电流小，而且在更大的温度范围内很稳定。这使得SiC MOSFET和二极管成为高温应用的更高效选择。

SiC的热导率比硅高3倍，可实现更好的散热。功率电子器件的散热是系统设计的重要一环。SiC的热导率使开关的工作温度和热应力降低。

最后，SiC的电子饱和速度是硅的2倍，这使得开关速度更快。更快的开关具有更低的开关损耗，可以在更高的脉宽调制（PWM）频率下工作。在一些电源转换拓扑结构中，更高的PWM频率允许使用更小、更轻和更便宜的无源元件，这些元件往往是系统中最大和最昂贵的部分。

制造SiC晶圆（半导体器件的原材料）的过程比制造Si晶圆更具挑战性。硅晶锭可以从熔体中拉出，而碳化硅晶锭必须通过化学气相沉积法在真空室中生长。这是个缓慢的过程，而且要使生长缺陷数可接受是很难的。SiC是一种相对较硬、较脆的材料（通常用于工业切割），因此，需要特殊的工艺来切割晶锭。

安森美半导体有多个SiC基板的供应协议，可确保产能满足SiC需求的增长。此外，我们正发展SiC基板的内部供应。

2 改进三相逆变器

三相逆变器是可变速高压电机驱动的传统方案，其硅IGBT与反并联二极管共同封装，用于支持电机电流换向。3个半桥相位驱动逆变器的三相线圈，以提供正弦电流波形并驱动电机。

有几种方法可用SiC提高系统的性能。逆变器中浪费的能量由导通损耗和开关损耗组成。SiC器件会影响这两种损耗机制。

用SiC肖特基势垒二极管代替反并联硅二极管变得越来越普遍。Si反向二极管有反向恢复电流，这会增加开关损耗并产生电磁干扰（EMI）。SiC二极管的优点是几乎没有反向恢复电流，可降低30%的开关损耗，并可能减少对EMI滤波器的需求。同样，反向恢复电流在导通时会增加集电极电流，因此SiC二极管会减小流过IGBT的峰值电流，从而提高系统的可靠性。

提高逆变器能效的下一步是用SiC MOSFET完全取代IGBT。SiC MOSFET可降低5倍开关损耗，从而进一步提高能效。SiC MOSFET的导通损耗可以是相同额定电流的Si IGBT的一半，具体取决于器件的选择。

能效的提高导致更少的散热。设计人员可以通过缩小冷却系统或完全消除主动冷却来降低成本。较小的电机驱动器可直接安装在电机壳体上，从而减少电缆和电机驱动器柜。

WBG器件开关速度很快，这减少了开关损耗，但带来了其他挑战。较高的dV/dt会产生噪声，并可能导致对电机绕组的绝缘产生应力。一种解决方案是使用门极电阻来减慢开关速度，但随后开关损耗会回升至IGBT的水平。另一种解决方案是在电机相位上放置一个滤波器。滤波器尺寸随PWM频率的增加而缩小，可在散热性和滤波器成本之间进行权衡。

快速开关功率器件不能耐受逆变器电路中的杂散电感和电容。所谓的“寄生”电感会由于开关过程中产生的高瞬变而导致电压尖峰。为消除寄生效应，应确保印刷电路板（PCB）的布局正确。所有电源回路和走线要短，器件排列紧密。即使是门极驱动回路也应谨慎地最小化，以减少由于噪声而导致不想要的器件导通的可能。

功率模块以正确的拓扑结构将多个器件集成在一起用于电机驱动（以及其他），从而提供了一种具有低寄生电感和优化布局的更快的解决方案。功率模块可减少需要连到散热器上的器件数量，从而节省PCB面积并简化热管理。

3 安森美半导体的方案

安森美半导体提供不断扩增的SiC器件阵容，适用于广泛应用。我们的SiC二极管有650 V（如图2）、1 200 V及1 700 V版本，采用TO-220、TO-247、DPAK及D2PAK封裝。我们还将SiC二极管与IGBT共同封装，以获得平衡性能和成本的混合解决方案。我们的SiC MOSFET，有650 V（新发布的）、900 V和1 200 V版本，采用3引线和4引线封装。我们正在开发一个基于SiC MOSFET的三相逆变器模块。最后，我们还提供专为SiC开关设计的非隔离型和电隔离型门极驱动器，以构成全面的解决方案。