工業領域的電力應用通常基于強大的電動機，用于連續運行的風扇、泵、伺服驅動器、壓縮機、縫紉機和冰箱。工業領域最常見的配置是三相電動機，由適當的基于逆變器的驅動器驅動。這些電機可以吸收高達 60% 的工業總功率需求，因此確保驅動器提供高效率水平至關重要。

在工業電源應用中，電子設計人員可以通過使用基于碳化硅的晶體管 (SiC MOSFET) 獲得巨大的好處，與傳統的基于硅的解決方案（例如 IGBT（絕緣柵雙極晶體管））相比，碳化硅晶體管 (SiC MOSFET) 提供了顯著的效率提升、更小的散熱器尺寸和更低的成本晶體管。SiC 技術允許在體二極管關斷后發生的反向恢復階段獲得非常低的每單位面積RDS ON 、高開關頻率和可忽略的能量損失。

基于逆變器的驅動器

最常見的基于三相逆變器的驅動電路如圖 1 所示。這種在工業級廣泛使用的拓撲基于兩電平三相逆變器，主要使用分立或功率模塊 IGBT，具體取決于功率要求，加上續流二極管。六個功率晶體管連接在三個半橋臂中，為電機或其他負載產生三相交流電。每個半橋都被迫以特定頻率在歐姆電感負載（電機）上切換，以便能夠控制其速度、位置和電磁轉矩。IGBT晶體管是少數載流子器件，具有高輸入阻抗和大雙極載流能力。在電機控制應用中，由于感性負載特性，通常需要添加一個反并聯或續流二極管以獲得功能齊全的開關，盡管在某些特殊情況下續流二極管不是必需的。與功率晶體管并聯放置的續流二極管連接在集電極端子和發射極端子之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。盡管在某些特殊情況下不需要續流二極管。與功率晶體管并聯放置的續流二極管連接在集電極端子和發射極端子之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。盡管在某些特殊情況下不需要續流二極管。與功率晶體管并聯放置的續流二極管連接在集電極端子和發射極端子之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。續流二極管連接在集電極和發射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。續流二極管連接在集電極和發射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成，也可以作為分立二極管添加到 IGBT 封裝之外。

圖 1：基于兩級三相逆變器的驅動器（來源：ST）

下側續流二極管反向恢復時，其電流流向與上側開關相同，反之亦然；因此，在開啟換向時會出現過沖，從而產生額外的功率損耗，從而影響整體效率。SiC MOSFET 由于反向??恢復電流和反向時間值要低得多，因此可以大幅降低恢復損耗，與與硅基 IGBT 共同封裝的續流二極管相比，效率顯著提高。

開啟/關閉換向要求

在工業驅動中，必須特別注意開啟和關閉換向速度。事實上，SiC MOSFET dV/dt 可以達到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當，高換向 dv/dt 會增加長電機電纜上的電壓尖峰，并可能產生共模和差模寄生電流，隨著時間的推移，會導致繞組絕緣和電機軸承出現故障。盡管更快的開啟/關閉提高了效率，但出于前面提到的可靠性原因，工業驅動器中的典型 dv/dt 通常設置為 5 到 10 V/ns。

意法半導體對兩個相似的 1.2kV 功率晶體管 SiC MOSFET 和 Si 基 IGBT 進行的比較證明，與Si IGBT，即使在 5 V/ns 的強加條件下。

靜態和動態特性

使用相同類型的晶體管，ST 進行的分析還可以比較靜態和動態操作中的特性（或電壓-電流）曲線。圖 2 所示的靜態特性曲線是在結溫 T J =125°C 時獲得的。從兩條曲線之間的比較來看，SiC 解決方案提供的顯著優勢出現在整個電壓和電流范圍內，這首先要歸功于其線性正向壓降。相反，IGBT 晶體管表現出非線性電壓降 (V CE(sat) )，其本身取決于集電極電流。

在電流約為 40A 時達到收支平衡點：低于此值，SiC MOSFET 的傳導損耗低于 IGBT。這是因為 SiC MOSFET 由于其線性靜態特性而利用了靜態損耗。而且，即使 SiC MOSFET 需要 V GS =18V 才能實現出色的 R DS(ON)，它也可以提供比硅基 IGBT 更好的靜態性能，從而顯著降低傳導損耗。

圖 2：SiC 和 IGBT MOSFET VI 曲線比較（來源：ST）

還使用雙脈沖測試從動態角度分析了這兩個設備。此特定測試的目的是在開啟和關閉條件下提供動態損耗測量。獲得的結果表明，與 Si IGBT 相比，即使在 5 V/ns 條件下，SiC MOSFET 在整個分析電流范圍內的開啟和關閉能量（約 -50%）也顯著降低。在 50V/ns 時，SiC MOSFET 可進一步降低損耗。IGBT 無法達到如此高的換向速度。

電熱模擬

為了比較 SiC MOSFET 和 Si IGBT 在典型工業驅動應用中的運行情況，電熱仿真是更好的選擇。關于 ST 分析，該模擬是使用他們專有的軟件工具 PowerStudio 進行的。該軟件提供全面的功率和熱分析，能夠預測設備性能，縮短解決方案設計時間并節省時間和資源。此外，該工具有助于選擇適合應用任務配置文件的適當設備。ST PowerStudio 基于非常精確的內置電氣和熱模型，適用于每個設備，并且由于考慮到自熱效應的迭代計算，它提供了對功率損耗以及結和外殼溫度的高度準確估計. 使用 PowerStudio 進行的 ST 電熱仿真證明，使用 SiC MOSFET 可以實現更高的能效，從而降低任何散熱器的熱要求，從而降低重量、空間和成本。與 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 解決方案在靜態和動態條件下以及開關和二極管方面的總功率損耗要低得多。

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