你将学习:
- 仔细看看SiC的好处。
- 如何改善可变电机驱动器的三相逆变器。
近年来电力电子产品中最重要的发展是所谓的宽带隙（WBG）材料的兴起，即碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。WBG材料的特性承诺更小，更快，更高效的电力电子设备。
WBG电源设备已经影响了各种应用和拓扑，从共同的电源和充电器到太阳能和储能。碳化硅已经在市场上，功率器件超过GaN，通常用于高压，更高功率的应用。
在工业应用中，电动机的总功率占相当大的比例。它们被用于HVAC、重型机器人、材料搬运和许多其他功能。提高电机传动的效率和可靠性是降低成本的重要途径。为了应对这样的挑战，设计师们开始转向sic，因为其独特的性能使其成为大功率工业驱动的电力电子材料的首选。
碳化硅材料特性
碳化硅是一种具有比硅（1.12EV）更大的带隙（3.26eV）的半导体材料，并且具有许多用于电力电子设备的有利性能。
SiC的介电击穿强度比硅高10倍(图1)。电力电子开关的最重要功能之一是阻止高电压。由于高介电强度，SiC在通过装置的较短距离中支撑高电压。该距离也是垂直装置中的通道和漏极接触之间的漂移区域。较短的漂移区域降低了器件的电阻，直接产生低功率损耗。
宽带隙还减少了热激携带器的数量，并导致更少的自由电子和较低的漏电流。此外，漏电流小且稳定在比传统SI器件更大的温度范围内。这使SiC MOSFET和二极管更有效地用于高温应用。
SiC的导热系数是硅的3倍，允许更大的散热。电力电子器件的散热是系统设计的重要组成部分。SiC的导热性导致较低的操作温度和热应力的开关。
最后，SIC具有硅的电子饱和速度的两倍，从而实现更快的开关速度。更快的开关具有较低的开关损耗，可以在更高的脉冲宽度调制（PWM）频率下工作。在一些功率转换拓扑中，更高的PWM频率允许更小，更轻，更便宜的无源元件，这通常是系统的最大和最昂贵的部分。
制造碳化硅晶片(半导体器件的原材料)的过程比制造硅晶片更具挑战性。硅球可以从熔体中拉出，而SiC球必须在真空室中通过化学气相沉积生长。这是一个缓慢的过程，并且很难在缺陷达到可接受数量的情况下成长。碳化硅是一种相对坚硬、易碎的材料(常用于工业切割)，因此，需要特殊的工艺从碳化硅中切出薄片。
在半导体有多个SiC基板供应协议，以确保产能随着SiC需求增长。此外，公司正在开发内部供应的碳化硅衬底
改善三相逆变器
变速高压电机驱动的传统解决方案是采用硅igbt与反并联二极管共封装的三相逆变器来支持电机的电流换向。三个半桥相驱动逆变器的三相线圈产生正弦电流波形并驱动电机。
有几种方法可以使用SiC来提升该系统的性能。逆变器损耗的能量主要由导通损耗和开关损耗两部分组成。SiC器件可以影响这两种损耗机制。
用SiC肖特基势垒二极管代替反平行硅二极管越来越普遍。硅反向二极管具有反向恢复电流，增加开关损耗并产生电磁干扰。SiC二极管的优点是它几乎没有反向恢复电流，降低开关损耗高达30%，并可能减少对EMI滤波器的需要。此外，反向恢复电流增加集电极电流在接通，因此SiC二极管降低通过IGBT的峰值电流，提高了系统的可靠性。
提高逆变器效率的下一步是用SiC MOSFET完全取代IGBT(图2)。SIC MOSFET将开关损耗降低五倍，进一步提高效率。根据器件选择，SiC MOSFET的导通损耗可以是相同电流额定值的SI IGBT的一半。
效率改善导致耗尽较少的浪费。反过来，设计师能够通过收缩冷却系统或完全消除主动冷却来降低成本。结果，较小的电动机驱动可以直接安装在电机壳体上，收缩电缆和电动机驱动柜。
WBG设备快速切换，降低了开关损耗，但带来了其他挑战。高DV / DT产生噪音，可以强调电机绕组绝缘。一种解决方案是使用栅极电阻减慢切换，但然后切换损耗升高朝向IGBT的电平。另一种解决方案是在电机阶段放置过滤器;滤波器大小随着PWM频率的增加而缩小，在热量和过滤器成本之间引入折衷。
快速开关功率器件不耐受逆变器电路中的杂散电感和电容。所谓的“寄生”电感可以导致由于在切换期间产生的高瞬态而导致电压尖峰。为了消除寄生，确保打印电路板（PCB）布局正确完成。所有电源环和迹线都应短，设备靠近。甚至应仔细地最小化栅极驱动环，以减少由于噪声引起的不需要的设备导通的机会。
电源模块以正确的拓扑结构将多个设备集成在一起，用于电机驱动(等等)，提供了一个具有低寄生电感和优化布局的更快的解决方案。电源模块节省PCB面积，通过减少需要连接到散热器的部件数量，使热管理更容易。
结论
碳化硅器件的快速切换和降低损耗使其成为高效集成电机驱动的重要解决方案。正如我们所讨论的，系统设计者可以缩小电机驱动器的尺寸，并将它们移到离电机更近的地方，以降低成本并提高可靠性。ON Semiconductor为SiC电机驱动器提供的不断增长的设备和系统阵列有助于为各种各样的工业应用提供正确的解决方案。
