考慮到SiC MOSFET在高壓應(yīng)用中與IGBT相比的技術(shù)優(yōu)勢,人們顯然會為新設(shè)計選擇寬帶隙組件,尤其是在應(yīng)用中驅(qū)動高功率密度和低損耗的情況下。
無論如何,更廣泛推出的最大障礙是 SiC 與硅相比的成本以及對新技術(shù)成熟度的一些擔憂。過去幾年,通過公開討論挑戰(zhàn)和潛在解決方案以實現(xiàn)類似于硅技術(shù)的現(xiàn)場可靠性,后一個問題已成功解決。為了應(yīng)對成本挑戰(zhàn),關(guān)鍵方面是確定伴隨 SiC 實施的系統(tǒng)優(yōu)勢,這些優(yōu)勢可以證明更高的成本是合理的。
這些主要是通過利用功率密度方面來發(fā)現(xiàn)的(例如,通過更高的開關(guān)頻率啟用更小的電感組件,或者由于要消散的損耗更低而更小的散熱器)。突出的例子是太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、用于伺服驅(qū)動的電機驅(qū)動逆變器或電動汽車領(lǐng)域的快速充電系統(tǒng)。
幾十年來,工業(yè)電機驅(qū)動器一直不是 SiC MOSFET 的重點應(yīng)用,盡管它背后有巨大的市場。它之所以成立,主要是因為對快速開關(guān)不感興趣,因此,電機驅(qū)動器似乎超出了 SiC 的應(yīng)用范圍。一些特殊用例除外,例如有源前端或具有濾波輸出的電機驅(qū)動器,因為在這些解決方案中,高頻和高 dV/dt 是可能的,并為系統(tǒng)帶來優(yōu)勢。僅以逆變器和電機之間的正弦輸出濾波器為例,其技術(shù)優(yōu)勢是顯而易見的:電機上沒有 dV/dt 相關(guān)的應(yīng)力,沒有昂貴的屏蔽電纜,也沒有討論所用開關(guān)的短路能力. 在硅領(lǐng)域,這些方法并不成功,因為過濾器非常昂貴且體積龐大,假設(shè) IGBT 的開關(guān)頻率有限。然而,SiC MOSFET 將帶來新的機遇。
同時,很明顯,即使對于低開關(guān)頻率和可比的、低于 10 kV/μs 的常用開關(guān)斜率(例如電機驅(qū)動器中的開關(guān)斜率),也可以看到損耗降低,這主要是由于在部分通態(tài)模式下節(jié)省了負載或缺少尾電流和 Q rr相關(guān)的開通損耗。由于此類應(yīng)用中的特殊任務(wù)配置,伺服電機驅(qū)動器成為 SiC MOSFET 初始實施的理想用例(參見圖 1)。根據(jù) SiC MOSFET 的阻性輸出特性,可以證明損耗可以降低 80% 以上。這反過來又實現(xiàn)了創(chuàng)新的冷卻解決方案,例如無風(fēng)扇驅(qū)動器或?qū)㈦姍C驅(qū)動器直接集成到電機上。這些選項為工業(yè)機器人開辟了新的機會,如圖 2 所示,或者允許對非變頻舊電機驅(qū)動器進行輕松翻新,以利用這一舉措背后的巨大節(jié)能潛力。
圖 1:伺服驅(qū)動器的關(guān)鍵要求
圖 2:由 SiC MOSFET 和直接逆變器電機集成實現(xiàn)的新型工業(yè)機器人設(shè)計
SiC MOSFET 的一個特殊應(yīng)用是電力系統(tǒng)的輔助電源,在直流鏈路上運行。在這些解決方案中,電源通常直接由高壓直流鏈路供電,因此,高壓能力和快速切換是常見的要求。此類電路的硅基解決方案要么價格昂貴且損耗高(如高壓硅 MOSFET),要么在多級設(shè)置中實施時非常復(fù)雜。由于所需的歐姆額定值也相當高(500 mΩ 至 1 Ω),因此所需的 SiC 芯片尺寸很小。這是 SiC 在組件級別的成本方面能夠勝過硅功率器件的極少數(shù)例子之一。
SiC MOSFET 可實現(xiàn)簡單的反激式解決方案。由于低損耗,該組件現(xiàn)在也可以在 SMD 封裝中實現(xiàn),因此,組裝可以自動化,不再需要笨重的散熱器。最后,通過采用一些柵極驅(qū)動條件,系統(tǒng)可以直接在控制器之外運行,不再需要驅(qū)動 IC。
為了公平地評估結(jié)束,應(yīng)該包括基于 SiC 的功率器件與 IGBT 相比的一些缺點:
熱性能,由于芯片尺寸非常小,與處理相同功率的硅基解決方案相比,其 R th值要高得多。事實上,盡管總功率損耗明顯小于硅芯片,但損耗功率密度通常要高得多。因此,需要智能熱堆棧。
SiC芯片的功率循環(huán)性能,對于相同的芯片貼裝技術(shù)而言,與硅相比更小,僅達到功率模塊中硅能力的三分之一左右。主要原因是碳化硅的楊氏模量較高,對背面接頭造成較高的機械應(yīng)力。
已經(jīng)討論過的短路耐受時間限制。
一些更進一步但不太重要的方面可能會添加到列表中,例如,需要為 SiC MOSFET 驅(qū)動器提供穩(wěn)定的電源,以固定目標 V GS(on),這是強制性的,因為 SiC 的跨導(dǎo)較弱.
審核編輯:郭婷
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