碳化硅用于電機驅動

0   引言

近年來，電力電子領域最重要的發展是所謂的寬禁帶（WBG）材料的興起，即碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。WBG 材料的特性有望實現更小、更快、更高效的電力電子產品。WBG 功率器件已經對從普通電源和充電器到太陽能發電和能量存儲的廣泛應用和拓撲結構產生了影響。SiC 功率器件進入市場的時間比氮化鎵長，通常用于更高電壓、更高功率的應用。電機在工業應用的總功率中占了相當大的比例。

它們被用于暖通空調（HVAC）、重型機器人、物料搬運和許多其他功能。提高電機驅動的能效和可靠性是降低成本的一個重要途徑。SiC 在高功率工業驅動中的應用越來越多。SiC 的獨特性能使其成為應對這些挑戰的首選電力電子材料。

圖1 寬禁帶優勢

1   SiC材料特性

SiC 是一種半導體材料，它的帶隙（3.26 eV）比硅（1.12 eV）大，對電力電子器件來說有許多有利的特性。

SiC 的介電擊穿強度比硅高10 倍（圖1）。功率電子開關最重要的功能之一是保持高電壓。由于介電強度高，SiC 可支持高電壓在較短的距離內通過器件。這個距離也是垂直器件中溝道和漏極觸點之間的漂移區域。更短的漂移區域降低了器件的電阻，使產生的功率損耗更低。

寬帶隙也減少了熱激發載流子的數量，導致自由電子減少，漏電流降低。

此外，與傳統Si 器件相比，SiC 漏電流小，而且在更大的溫度范圍內很穩定。這使得SiC MOSFET 和二極管成為高溫應用的更高效選擇。

SiC 的熱導率比硅高3 倍，可實現更好的散熱。功率電子器件的散熱是系統設計的重要一環。SiC 的熱導率使開關的工作溫度和熱應力降低。

最后，SiC 的電子飽和速度是硅的2 倍，這使得開關速度更快。更快的開關具有更低的開關損耗，可以在更高的脈寬調制（PWM）頻率下工作。在一些電源轉換拓撲結構中，更高的PWM頻率允許使用更小、更輕和更便宜的無源元件，這些元件往往是系統中最大和最昂貴的部分。

制造SiC 晶圓（半導體器件的原材料）的過程比制造Si 晶圓更具挑戰性。硅晶錠可以從熔體中拉出，而碳化硅晶錠必須通過化學氣相沉積法在真空室中生長。這是個緩慢的過程，而且要使生長缺陷數可接受是很難的。SiC 是一種相對較硬、較脆的材料（通常用于工業切割），因此，需要特殊的工藝來切割晶錠。

安森美半導體有多個SiC 基板的供應協議，可確保產能滿足SiC 需求的增長。此外，我們正發展SiC基板的內部供應。

2   改進三相逆變器

三相逆變器是可變速高壓電機驅動的傳統方案，其硅IGBT 與反并聯二極管共同封裝，用于支持電機電流換向。3 個半橋相位驅動逆變器的三相線圈，以提供正弦電流波形并驅動電機。

有幾種方法可用SiC 提高系統的性能。逆變器中浪費的能量由導通損耗和開關損耗組成。SiC 器件會影響這兩種損耗機制。

用SiC 肖特基勢壘二極管代替反并聯硅二極管變得越來越普遍。Si 反向二極管有反向恢復電流，這會增加開關損耗并產生電磁干擾（EMI）。SiC 二極管的優點是幾乎沒有反向恢復電流，可降低30％的開關損耗，并可能減少對EMI 濾波器的需求。同樣，反向恢復電流在導通時會增加集電極電流，因此SiC 二極管會減小流過IGBT 的峰值電流，從而提高系統的可靠性。

提高逆變器能效的下一步是用SiC MOSFET 完全取代IGBT。SiC MOSFET 可降低5 倍開關損耗，從而進一步提高能效。SiC MOSFET 的導通損耗可以是相同額定電流的Si IGBT 的一半，具體取決于器件的選擇。

能效的提高導致更少的散熱。設計人員可以通過縮小冷卻系統或完全消除主動冷卻來降低成本。較小的電機驅動器可直接安裝在電機殼體上，從而減少電纜和電機驅動器柜。

WBG 器件開關速度很快，這減少了開關損耗，但帶來了其他挑戰。較高的dV/dt 會產生噪聲，并可能導致對電機繞組的絕緣產生應力。一種解決方案是使用門極電阻來減慢開關速度，但隨后開關損耗會回升至IGBT 的水平。另一種解決方案是在電機相位上放置一個濾波器。濾波器尺寸隨PWM 頻率的增加而縮小，可在散熱性和濾波器成本之間進行權衡。

快速開關功率器件不能耐受逆變器電路中的雜散電感和電容。所謂的“寄生”電感會由于開關過程中產生的高瞬變而導致電壓尖峰。為消除寄生效應，應確保印刷電路板（PCB）的布局正確。所有電源回路和走線要短，器件排列緊密。即使是門極驅動回路也應謹慎地最小化，以減少由于噪聲而導致不想要的器件導通的可能。

功率模塊以正確的拓撲結構將多個器件集成在一起用于電機驅動（以及其他），從而提供了一種具有低寄生電感和優化布局的更快的解決方案。功率模塊可減少需要連到散熱器上的器件數量，從而節省PCB面積并簡化熱管理。

3   安森美半導體的方案

安森美半導體提供不斷擴增的SiC 器件陣容，適用于廣泛應用。我們的SiC 二極管有650 V（如圖2）、1 200 V 及1 700 V 版本， 采用TO-220、TO-247、DPAK 及D2PAK 封裝。我們還將SiC 二極管與IGBT共同封裝，以獲得平衡性能和成本的混合解決方案。我們的SiC MOSFET，有650 V（新發布的）、900 V和1 200 V 版本，采用3 引線和4 引線封裝。我們正在開發一個基于SiC MOSFET 的三相逆變器模塊。最后，我們還提供專為SiC 開關設計的非隔離型和電隔離型門極驅動器，以構成全面的解決方案。

圖2 安森美半導體的新的650 V SiC MOSFET

4   結束語

SiC 器件的快速開關和更低損耗使其成為高效、集成電機驅動器的重要解決方案。系統設計人員可縮小電機驅動器的尺寸并使其更靠近電機，以降低成本并提高可靠性。安森美半導體提供的用于SiC 電機驅動器的廣泛且不斷擴增的器件和系統適用于廣泛的工業應用。

（本文來源于《電子產品世界》雜志社2021年6月期）