作者@@： 赵佳@@，文章来源@@：英飞凌@@工业半导体@@
在我们的传统印象中@@，电机驱动@@系统@@往往采用@@IGBT作为开关器件@@，而@@SiC MOSFET作为高@@速器件往往与光伏和@@电动汽车充电等需要高@@频变换的应用相关联@@。但在特定的电机应用中@@，SiC仍然具有不可比拟的优势@@，他们是@@：
1. 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@@。
2. 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@@。
3. 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@@，
下面通过一个实例研究@@，实际验证@@SiC MOSFET在电机驱动@@中的优势@@。
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
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@@：
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@@。