白皮書導讀 | 電機驅動系統(tǒng)中的寬禁帶開關器件

近年來，電動汽車的興起帶動了寬禁帶器件的應用，并逐漸滲透到各個市場。目前，工業(yè)電機主要使用逆變器來提高能效等級，這些逆變器在使用傳統(tǒng)硅MOSFET和IGBT作為功率開關時存在一些限制，如總體損耗較高、開關頻率和功率輸送受限等。

隨著第三代半導體的興起，寬禁帶器件的應用使得提高電機的功率密度、功率輸送能力和效率成為可能。《電機驅動系統(tǒng)中的寬禁帶開關器件》白皮書共18頁，主要探討了采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）寬禁帶器件對電機驅動器效率的提升和應用中需要克服的設計問題。

電機技術發(fā)展

1.工業(yè)電機需滿足新能效標準（IE4和IE5），永磁電機、同步磁阻電機和感應電機是主要類型

2.使用電機驅動器可以提高電機能效，寬禁帶器件提供了更高效率的機會

3.電機技術的發(fā)展對電機驅動器提出新的要求

a.低電感電機：需要高開關頻率（50-100 kHz）維持小的紋波電流，寬禁帶器件提供了解決方案。

b.高速電機：高基波頻率要求高開關頻率，寬禁帶器件能滿足這一需求。

c.惡劣工況：寬禁帶器件耐高溫（SiC：600°C，GaN：300°C），適合惡劣環(huán)境應用。

雖然GaN器件目前存在一些與封裝有關的問題，導致它們所適用的工作溫度不能超過200°C，但專注于解決這些問題的研究正在進行中。因此，寬禁帶器件更適合可能面臨惡劣工況的電機應用，比如混合動力電動汽車（HEV）中的集成電機驅動器、海底和井下應用、空間應用等。

高速器件的應用問題

寬禁帶器件是高速器件，在應用在電機驅動器中會碰到一些問題使用：

??繞組絕緣：高開關頻率下的高速器件dv/dt高，可能導致匝間短路，需開發(fā)新型電機絕緣材料或限制電壓變化率dv/dt

? 軸承壽命：高開關速度增加局部放電，降低軸承壽命，如使用陶瓷涂層軸承成本就比較高。參考文章《電機軸電流與電機驅動》

??電纜長度：高開關速度導致信號反射，需使用濾波器或縮短電纜長度

器件品質因數

白皮書評價了不同功率半導體在電機驅動中的應用，做了品質因數的分析和損耗比較。

??比較RDS(on)* Qrr參數時，對于具有連續(xù)硬換流的應用（如電機驅動應用），以及帶電流連續(xù)模式（CCM）圖騰柱和功率因數校正（PFC）的應用，SiC和GaN器件優(yōu)于兩種硅器件。

??SiC器件尤其是GaN器件要比任一硅器件驅動損耗要低。

??然而，對于反向導通損耗，寬禁帶器件相比于硅MOSFET和硅超結器件，Vf值大幅提高，如果死區(qū)時間比較長，會對系統(tǒng)效率造成了很大的負面影響。因此，在考慮在電機驅動逆變器中使用寬禁帶器件時，死區(qū)時間是需要考慮的一個重要參數，必須將該參數的值控制在盡可能低的水平。

實際開關損耗比較：

??雙脈沖試驗顯示，GaN和SiC開關損耗低于IGBT。

? 寬禁帶器件在輕載和高溫條件下表現更佳，但IGBT在滿載條件下損耗較低。

電機驅動系統(tǒng)案例分析

白皮書的重要部分是以實際案例分析了電機驅動器損耗和電機的高頻損耗，深入研究了不同電機轉速下高頻損耗隨開關頻率的不同而發(fā)生的變化。

結論

??相比使用硅器件，寬禁帶開關器件可使電機驅動系統(tǒng)以更高的開關頻率運行，從而可以實現更高的總體系統(tǒng)效率。然而，因為需要綜合考慮和權衡逆變器損耗和電機損耗，在選擇合適的開關頻率時應當非常謹慎。

??本白皮書中給出的實驗結果表明，在較高開關頻率下的電機損耗降低，最合適的開關頻率約為20kHz。然而，對于電機軸承和繞組壽命在高開關頻率和更快電壓變化率（dv/dt）下所受的影響，還需要進行進一步分析。

??另外，更快開關頻率對低頻損耗、機械損耗和死區(qū)補償的影響，也需要研究。除了幫助已有電機設計實現性能改進，寬禁帶器件還有可能為實現滿足未來能效要求的全新電機驅動器拓撲創(chuàng)造機會。而且，利用寬禁帶開關器件實現的未來電機設計，還可能幫助解決伴隨更高開關頻率而出現的問題（例如，軸承和繞組磨損等）。