碳化硅已准备好部署在具有成本竞争力的工业电机驱动市场。 SiC 功率模块的实际优势不仅仅限于效率提升。对两种电机驱动类型的检查显示了全面的节省。关键是要看大局。
碳化硅 MOSFET 已被证明是太阳能、储能系统、电动汽车和电动汽车充电器中硅 IGBT 的商业可行替代品。在这些应用中，效率的提高和滤波器尺寸的减小抵消了半导体材料成本的增加。工业电机驱动器作为一种商品，需要低成本、强大的功率半导体，而不太考虑设备级效率。现在，能源成本的上升以及有关电流谐波和CO 2排放的监管要求正在促使设计人员寻找更高效的解决方案。再加上可批量生产、具有短路功能的 SiC 功率器件的出现，意味着SiC 在电机驱动领域占有一席之地。通过研究两种不同的驱动器类型，可以检验 SiC 在不同电路位置的技术优势。
线路侧（低谐波/再生驱动）
现代高性能驱动器通常采用有源前端 (AFE)，利用有源器件而不是无源整流器进行线路连接，原因有两个。 1.) 解决变频器在电网上产生的谐波含量。有源器件的三相电桥可以与线路频率同步，并从接近单位功率因数的线路汲取正弦电流。该拓扑支持满足谐波要求（例如美国的 IEEE 519）并提高电网利用率。在行业和应用不断电气化的推动下，这个主题变得越来越重要。 2.) 将能量推回到电网的能力。这对于在运行期间可以产生能量的应用是有益的，否则必须使用无源制动电阻器来耗散能量。这些可以是伺服驱动器、起重机、电梯、自动扶梯、下坡输送机、测功机等。
简单的 AFE 通常使用如图 1 所示的电路。为此，用 SiC MOSFET 替换 IGBT 及其相关的续流二极管可以为整个系统带来多种好处。
图 1. 典型的有源前端拓扑。图片由博多电力系统提供 [PDF]
检查具有以下运行参数的完整 20 kW (27HP) AFE 驱动器：
直流电压：750V
V线：400V
I线：30A
PF：0.98
f线：50赫兹
fsw ：Si = 5 kHz，SiC = 20 kHz
Rth (sa)：0.31K/W
室温：40° C
用于本次比较的基准 Si IGBT 功率模块使用一代（第 7代）1200 V/50 A IGBT，而所选 SiC MOSFET 功率模块使用 1200 V/18 mΩ MOSFET。两个模块均采用相同的封装，即赛米控丹佛斯的 SEMITOP E1。在此仿真中，SiC 的开关频率不断增加，直到达到与 Si 器件相同的结温。
表 1. 模拟 AFE 应用比较
即使在四倍载波频率下，SiC 器件的每个三相电路的总损耗也可降低 34%。此外，LCL 滤波器的尺寸也有直接影响。较高的开关频率会降低所需的电感和电容。电感器的总重量几乎减半，而整体体积减小了70%。虽然 SiC 电源模块的成本高于 Si 器件，但必须考虑系统的总拥有成本：
更小的驱动器体积和重量：
减少运输、包装和存储空间
安装更简单
更小的面板和安装空间
减少功率损耗
节能和降低成本
较低的冷却要求
从更广泛的范围来看，碳化硅带来的巨大好处不仅可以弥补组件的成本。在 AFE 应用中，它们还在产品生命周期内提供显着的成本效益。
逆变器侧（常规驱动）
连接到电机的驱动器逆变器侧对实施 SiC 提出了挑战。在这里，与 AFE 示例相比，必须考虑一些限制和关键要求：
逆变器必须能够承受短路
dv/dt 必须受到限制（例如 <5 kV/μs）以避免损坏电机
开关频率受到限制，以使驱动损耗保持在可接受的水平，并避免屏蔽电机电缆中漏电流过多
SiC MOSFET 的短路能力长期以来一直是一个关键话题。然而，在一代的产品中，SiC 器件现在可以处理几微秒的短路，使其成为电机驱动的可行选择。
图 2. 采用无源整流器的电机驱动。图片由博多电力系统提供
从图 2 的示意图中可以看出，不存在可以通过增加开关频率来减少的磁性元件。尽管如此，在此应用中，SiC 仍然可以提供有价值的优势。通过具有以下参数的示例性 15kW (20HP) 电机驱动器来说明这一点，如可变扭矩应用中常见的那样：
直流电压：560V
输出电压：355V
我输出：26 A
过载：110%/1分钟
PF：0.98（永磁电机）
f输出：50 Hz
f sw：Si/SiC = 5 kHz（dv/dt 限制为 5 kV/μs）
Rth (sa)：0.31K/W
温度：50° C
用于本次比较的基准 Si IGBT 功率模块使用SEMITOP E2 封装中的一代（第7 代）1200 V/35 A IGBT。所选SiC MOSFET功率模块采用1200 V/18 mΩ MOSFET。该 MOSFET 是 ROHM Semiconductor 的第四代MOSFET ，用于 Semikron Danfoss 电源模块时具有额定 2 ?s 短路能力（V G = 18 V，T j = 150°C，V DC = 720 V）。对于这两个示例模块，都选择了外部栅极电阻器来将 dv/dt 限制为 5 kV/μs。
该应用正在驱动具有二次扭矩特性的离心泵，如图 3 所示。实际泵主要在 40% 至 80% 的速度范围内运行。该工作区域对应于 SiC MOSFET 的传导损耗低于 Si IGBT 的电流范围。由于 MOSFET 速度减慢至 5kV/μs，与 IGBT 解决方案相比，开关损耗几乎没有优势。然而，由于线性正向特性，MOSFET 的传导损耗要低得多。
在适用的速度范围内，SiC 在损耗方面具有明显的优势。配备 SiC 的驱动器在低速时的损耗比 Si 版本低 7%，在全速时损耗低 22%。这相当于低速时总效率提高了 0.6%，高速时总效率提高了 0.5%。通过查看驱动器运行期间不同运行速度所花费的时间，这些值可以等同于实际节省的时间。如果计算每个负载点的损耗，则可以计算每个驱动器一年内损失的总能量。
