由于電動(dòng)馬達(dá)佔(zhàn)工業(yè)大部分的耗電量，工業(yè)傳動(dòng)的能源效率成為一大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。因此，半導(dǎo)體製造商必須花費(fèi)大量心神，來強(qiáng)化轉(zhuǎn)換器階段所使用功率元件之效能。意法半導(dǎo)體（ST）的碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（SiC MOSFET）技術(shù)，為電力切換領(lǐng)域立下全新的效能標(biāo)準(zhǔn)。

　　本文將強(qiáng)調(diào)出無論就能源效率、散熱片尺寸或節(jié)省成本方面來看，工業(yè)傳動(dòng)不用硅基（Si）絕緣柵雙極電晶體（IGBT）而改用碳化硅MOSFET有哪些優(yōu)點(diǎn)。

　　1．導(dǎo)言

　　目前工業(yè)傳動(dòng)通常採用一般所熟知的硅基IGBT反相器（inverter），但近開發(fā)的碳化硅MOSFET元件，為這個(gè)領(lǐng)域另外開闢出全新的可能性。

　　意法半導(dǎo)體的碳化硅MOSFET技術(shù)，不但每單位面積的導(dǎo)通電阻非常之低，切換效能，而且跟傳統(tǒng)的硅基續(xù)流二極體（FWD）相比，內(nèi)接二極體關(guān)閉時(shí)的反向恢復(fù)能量仍在可忽略范圍內(nèi)。

　　考量到幫浦、風(fēng)扇和伺服驅(qū)動(dòng)等工業(yè)傳動(dòng)都必須持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，利用碳化硅MOSFET便有可能提升能源效率，并大幅降低能耗。

　　本文將比較1200 V碳化硅MOSFET和Si IGBT的主要特色，兩者皆採ACEPACK?封裝，請(qǐng)見表1。

　　表1：元件分析

　　本文將利用意法半導(dǎo)體的PowerStudio軟體，將雙脈波測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)測量結(jié)果套用在模擬當(dāng)中。模擬20kW的工業(yè)傳動(dòng)，并評(píng)估每個(gè)解決方案每年所耗電力，還有冷卻系統(tǒng)的要求。

　　2．主要的技術(shù)關(guān)鍵推手和應(yīng)用限制

　　以反相器為基礎(chǔ)的傳動(dòng)應(yīng)用，常見的拓?fù)渚褪且?個(gè)電源開關(guān)連接3個(gè)半橋接電橋臂。

　　每一個(gè)半橋接電橋臂，都是以歐姆電感性負(fù)載（馬達(dá)）上的硬開關(guān)換流運(yùn)作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉(zhuǎn)距。因?yàn)殡姼行载?fù)載的關(guān)係，每次換流都需要6個(gè)反平行二極體執(zhí)行續(xù)流相位。當(dāng)下旁（lower side）飛輪二極體呈現(xiàn)反向恢復(fù)，電流的方向就會(huì)和上旁（upper side）開關(guān)相同，反之亦然；因此，開啟狀態(tài)的換流就會(huì)電壓過衝（overshoot），造成額外的功率耗損。這代表在切換時(shí)，二極體的反相恢復(fù)對(duì)功率損失有很大的影響，因此也會(huì)影響整體的能源效率。

　　跟硅基FWD搭配硅基IGBT的作法相比，碳化硅MOSFET因?yàn)榉聪蚧謴?fù)電流和恢復(fù)時(shí)間的數(shù)值都低很多，因此能大幅減少恢復(fù)耗損以及對(duì)能耗的影響。

　　圖1和圖2分別為50 A－600 VDC狀況下，碳化硅MOSFET和硅基IGBT在開啟狀態(tài)下的換流情形。請(qǐng)看藍(lán)色條紋區(qū)塊，碳化硅MOSFET的反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時(shí)間都減少很多。開啟和關(guān)閉期間的換流速度加快可減少開關(guān)時(shí)的電源耗損，但開關(guān)換流的速度還是有一些限制，因?yàn)榭赡茉斐呻姶鸥蓴_、電壓尖峰和振盪問題惡化。

　　圖1：開啟狀態(tài)的碳化硅MOSFET

　　圖2：開啟狀態(tài)的硅基IGBT

　　除此之外，影響工業(yè)傳動(dòng)的重要參數(shù)之一，就是反相器輸出的快速換流暫態(tài)造成損害的風(fēng)險(xiǎn)。換流時(shí)電壓變動(dòng)的比率（dv／dt）較高，馬達(dá)線路較長時(shí)確實(shí)會(huì)增加電壓尖峰，讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴(yán)重，長久以往可能導(dǎo)致繞組絕緣和馬達(dá)軸承故障。因此為了保障可靠度，一般工業(yè)傳動(dòng)的電壓變動(dòng)率通常在5－10 V／ns。雖然這個(gè)條件看似會(huì)限制碳化硅MOSFET的實(shí)地應(yīng)用，因?yàn)榭焖贀Q流就是它的主要特色之一，但專為馬達(dá)控制所量身訂做的1200 V 硅基IGBT，其實(shí)可以在這些限制之下展現(xiàn)交換速度。在任何一個(gè)當(dāng)中，無論圖1、圖2、圖3、圖4都顯示，跟硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET元件開啟或關(guān)閉時(shí)都保證能減少能源耗損，即使是在5 V／ns的強(qiáng)制條件下。

　　圖3：關(guān)閉狀態(tài)的硅基MOSFET

　　圖4：關(guān)閉狀態(tài)的硅基IGBT

　　3．靜態(tài)與動(dòng)態(tài)效能

　　以下將比較兩種技術(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特質(zhì)，設(shè)定條件為一般運(yùn)作，接面溫度TJ ＝ 110 °C。

　　圖5為兩種元件的輸出靜態(tài)電流電壓特性曲線（V－I curves）。兩相比較可看出無論何種狀況下碳化硅MOSFET的優(yōu)勢都大幅，因?yàn)樗碾妷撼尸F(xiàn)線性向前下降。

　　即使碳化硅MOSFET必須要有VGS  ＝ 18 V才能達(dá)到很高的RDS（ON），但可保證靜態(tài)效能遠(yuǎn)優(yōu)于硅基IGBT，能大幅減少導(dǎo)電耗損。

　　圖5：比較動(dòng)態(tài)特質(zhì)

　　兩種元件都已經(jīng)利用雙脈波測試，從動(dòng)態(tài)的角度加以分析。兩者的比較是以應(yīng)用為基礎(chǔ)，例如600 V匯流排直流電壓，開啟和關(guān)閉的dv／dt均設(shè)定為5 V／ns。