原创 SiC MOSFET用于电机驱动的优势在哪里

低电感电机

低电感电机有许多不同应用，包括大气隙电机、无槽电机和低泄露感应电机。它们也可被用 在使用PCB定子而非绕组定子的新电机类型中。这些电机需要高开关频率（50-100kHz）来 维持所需的纹波电流。然而，对于50kHz以上的调制频率使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）无 法满足这些需求，如果是380V系统，硅MOSFET耐压又不够，这就为宽禁带器件开创了新的 机会。

高速电机

由于拥有高基波频率，这些电机也需要高开关频率。它们适用于高功率密度电动汽车、高极 数电机、拥有高扭矩密度的高速电机以及兆瓦级高速电机等应用。同样，IGBT能够达到的最 高开关频率受到限制，而通过使用宽禁带开关器件可能能够突破这些限制。例如燃料电池中 的空压机。空压机最高转速超过15万rpm，空压机电机控制器的输出频率超过2500Hz，功 率器件需要很高的开关频率（超过50kHz），因此SiC-MOSFET是这类应用的首选器件。

恶劣工况

在电机控制逆变器中使用宽禁带器件有两个引人关注的益处。第一，它们产生的热量比硅器 件少，降低了散热需求。第二，它们能承受更高工作温度——SiC：600°C，GaN：300°C，而硅芯片能承受的最高工作温度仅为200°C。虽然SiC产品目前存在一些与封装有关的问题，导致它们所适用的工作温度不能超过200°C，但专注于解决这些问题的研究正在进行中。因 此，宽禁带器件更适合可能面临恶劣工况的电机应用，比如混合动力电动汽车（HEV）中的 集成电机驱动器、海底和井下应用、空间应用等

传统的电机驱动中，往往使用IGBT作为开关器件。那么，SiC MOSFET相对于Si IGBT有 哪些优势，使得它更适合电机驱动应用？

首先，从开关特性角度看，功率器件开关损耗分为开通损耗和关断损耗。

关断损耗

IGBT是双极性器件，导通时电子和空穴共同参与导电，但关断时由于空穴，只能通过复合逐 渐消失，从而产生拖尾电流，拖尾电流是造成IGBT关断损耗的大的主要原因。SiC MOSFET 是单极性器件，只有电子参与导电，关断时没有拖尾电流使得SiC MOSFET关断损耗大大低于
IGBT。

开通损耗

IGBT开通瞬间电流往往会有过冲，这是反并联二极管换流时产生的反向恢复电流。反向恢复 电流叠加在IGBT开通电流上，增加了器件的开通损耗。IGBT的反并联二极管往往是Si PiN二 极管，反向恢复电流比较明显。而SiC MOSFET的结构里天然集成了一个体二极管，无需额外 并联二极管。SiC体二极管参与换流，它的反向恢复电流要远低于IGBT反并联的硅PiN二极 管，因此，即使在同样的dv/dt条件下，SiC MOSFET的开通损耗也低于IGBT。另外，SiC MOSFET可以使得伺服驱动器与电机集成在一起，从而摒除线缆上dv/dt的限制，高dV/dt条
件下，SiC的开关损耗会进一步降低，远低于IGBT。即使是开关过程较慢时，碳化硅的开关损 耗也优于IGBT。

此外，SiC MOSFET的开关损耗基本不受温度影响，而IGBT的开关损耗随温度上升而明显增加。因此高温下SiC MOSFET的损耗更具优势。

再考虑dv/dt的限制，相同dv/dt条件下，高温下SiC MOSFET总开关损耗会有50%~60%的降低，如果不限制dv/dt，SiC开关总损耗最高降低90%。

从导通特性角度看：

SiC MOSFET导通时没有拐点，很小的VDS电压就能让SiC MOSFET导通，因此在小电流条件下，SiC MOSFET的导通电压远小于IGBT。大电流时IGBT导通损耗更低，这是由于随着器件压降上升，双极性器件IGBT开始导通，由于电导调制效应，电子注入激发更多的空穴，电流迅速上升，输出特性的斜率更陡。对应电机工况，在轻载条件下，SiC MOSFET具有更低的导通损耗。重载或加速条件下，SiC MOSFET导通损耗的优势会有所降低。

CoolSiC™ MOSFET在各种工况下导通损耗降低，

假定以下工况，对比三款器件：

IGBT IKW40N120H3，

SiC MOSFET IMW120R060M1H和IMW120R030M1H。

 测试条件

Vdc=600V, VN,out=400V, IN,out=5A–25A, fN,sin-out=50Hz, fsw=4-16kHz, Tamb=25°C, cos(φ)N=0.9, Rth,HA=0.63K/W, dv/dt=5V/ns

M=1,Vdc=600V, fsin=50Hz, RG@dv/dt=5V/ns, fsw=8kHz，线缆长度5m, Tamb=25°C找元器件现货上唯样商城

可以看出，基于以上工况，同样的温度条件下，30mohm的器件输出电流比40A IGBT提高了10A，哪怕换成小一档的60mohm SiC MOSFET，输出电流也能提升约5A。而相同电流条件下，SiC MOSFT的温度明显降低。

综上所述，SiC开关器件能为电机驱动系统带来的益处总结如下：更低损耗‒降低耗电量，让人们的生活更加环保、可持续。

性能卓越‒实现更高功率密度，通过以更小的器件达到相同性能，来实现更经济的电机设计。

结构紧凑‒实现更紧凑、更省空间的电机设计，减少材料消耗，降低散热需求。

更高质量‒SiC逆变器拥有更长使用寿命，且不易出故障，使得制造商能够提供更长的保修期。

最后，英飞凌CoolSiC™能保证单管3us,Easy模块2us的短路能力，进一步保证系统的安全性与可靠性