白皮書(shū)導(dǎo)讀 | 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的寬禁帶開(kāi)關(guān)器件

近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)的興起帶動(dòng)了寬禁帶器件的應(yīng)用，并逐漸滲透到各個(gè)市場(chǎng)。目前，工業(yè)電機(jī)主要使用逆變器來(lái)提高能效等級(jí)，這些逆變器在使用傳統(tǒng)硅MOSFET和IGBT作為功率開(kāi)關(guān)時(shí)存在一些限制，如總體損耗較高、開(kāi)關(guān)頻率和功率輸送受限等。

隨著第三代半導(dǎo)體的興起，寬禁帶器件的應(yīng)用使得提高電機(jī)的功率密度、功率輸送能力和效率成為可能?！?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%9C%BA%E9%A9%B1%E5%8A%A8/">電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的寬禁帶開(kāi)關(guān)器件》白皮書(shū)共18頁(yè)，主要探討了采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）寬禁帶器件對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器效率的提升和應(yīng)用中需要克服的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

電機(jī)技術(shù)發(fā)展

1.工業(yè)電機(jī)需滿(mǎn)足新能效標(biāo)準(zhǔn)（IE4和IE5），永磁電機(jī)、同步磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)是主要類(lèi)型

2.使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以提高電機(jī)能效，寬禁帶器件提供了更高效率的機(jī)會(huì)

3.電機(jī)技術(shù)的發(fā)展對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提出新的要求

a.低電感電機(jī)：需要高開(kāi)關(guān)頻率（50-100 kHz）維持小的紋波電流，寬禁帶器件提供了解決方案。

b.高速電機(jī)：高基波頻率要求高開(kāi)關(guān)頻率，寬禁帶器件能滿(mǎn)足這一需求。

c.惡劣工況：寬禁帶器件耐高溫（SiC：600°C，GaN：300°C），適合惡劣環(huán)境應(yīng)用。

雖然GaN器件目前存在一些與封裝有關(guān)的問(wèn)題，導(dǎo)致它們所適用的工作溫度不能超過(guò)200°C，但專(zhuān)注于解決這些問(wèn)題的研究正在進(jìn)行中。因此，寬禁帶器件更適合可能面臨惡劣工況的電機(jī)應(yīng)用，比如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）中的集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、海底和井下應(yīng)用、空間應(yīng)用等。

高速器件的應(yīng)用問(wèn)題

寬禁帶器件是高速器件，在應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中會(huì)碰到一些問(wèn)題使用：

??繞組絕緣：高開(kāi)關(guān)頻率下的高速器件dv/dt高，可能導(dǎo)致匝間短路，需開(kāi)發(fā)新型電機(jī)絕緣材料或限制電壓變化率dv/dt

? 軸承壽命：高開(kāi)關(guān)速度增加局部放電，降低軸承壽命，如使用陶瓷涂層軸承成本就比較高。參考文章《電機(jī)軸電流與電機(jī)驅(qū)動(dòng)》

??電纜長(zhǎng)度：高開(kāi)關(guān)速度導(dǎo)致信號(hào)反射，需使用濾波器或縮短電纜長(zhǎng)度

器件品質(zhì)因數(shù)

白皮書(shū)評(píng)價(jià)了不同功率半導(dǎo)體在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用，做了品質(zhì)因數(shù)的分析和損耗比較。

??比較RDS(on)* Qrr參數(shù)時(shí)，對(duì)于具有連續(xù)硬換流的應(yīng)用（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用），以及帶電流連續(xù)模式（CCM）圖騰柱和功率因數(shù)校正（PFC）的應(yīng)用，SiC和GaN器件優(yōu)于兩種硅器件。

??SiC器件尤其是GaN器件要比任一硅器件驅(qū)動(dòng)損耗要低。

??然而，對(duì)于反向?qū)〒p耗，寬禁帶器件相比于硅MOSFET和硅超結(jié)器件，Vf值大幅提高，如果死區(qū)時(shí)間比較長(zhǎng)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)效率造成了很大的負(fù)面影響。因此，在考慮在電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中使用寬禁帶器件時(shí)，死區(qū)時(shí)間是需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)，必須將該參數(shù)的值控制在盡可能低的水平。

實(shí)際開(kāi)關(guān)損耗比較：

??雙脈沖試驗(yàn)顯示，GaN和SiC開(kāi)關(guān)損耗低于IGBT。

? 寬禁帶器件在輕載和高溫條件下表現(xiàn)更佳，但I(xiàn)GBT在滿(mǎn)載條件下?lián)p耗較低。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)案例分析

白皮書(shū)的重要部分是以實(shí)際案例分析了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器損耗和電機(jī)的高頻損耗，深入研究了不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下高頻損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的不同而發(fā)生的變化。

結(jié)論

??相比使用硅器件，寬禁帶開(kāi)關(guān)器件可使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以更高的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的總體系統(tǒng)效率。然而，因?yàn)樾枰C合考慮和權(quán)衡逆變器損耗和電機(jī)損耗，在選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)應(yīng)當(dāng)非常謹(jǐn)慎。

??本白皮書(shū)中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較高開(kāi)關(guān)頻率下的電機(jī)損耗降低，最合適的開(kāi)關(guān)頻率約為20kHz。然而，對(duì)于電機(jī)軸承和繞組壽命在高開(kāi)關(guān)頻率和更快電壓變化率（dv/dt）下所受的影響，還需要進(jìn)行進(jìn)一步分析。

??另外，更快開(kāi)關(guān)頻率對(duì)低頻損耗、機(jī)械損耗和死區(qū)補(bǔ)償?shù)挠绊?，也需要研究。除了幫助已有電機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)，寬禁帶器件還有可能為實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足未來(lái)能效要求的全新電機(jī)驅(qū)動(dòng)器拓?fù)鋭?chuàng)造機(jī)會(huì)。而且，利用寬禁帶開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)的未來(lái)電機(jī)設(shè)計(jì)，還可能幫助解決伴隨更高開(kāi)關(guān)頻率而出現(xiàn)的問(wèn)題（例如，軸承和繞組磨損等）。