在當今的電子應用領域，碳化硅器件已經在多個方面取得了商業(yè)上的成功。碳化硅 MOSFET 已被證實是硅 IGBT 在太陽能、儲能系統(tǒng)、電動汽車充電器和電動汽車等領域的可行商業(yè)替代品。在這些應用中，效率的提升以及濾波器尺寸的減小足以抵消半導體材料成本的增加。一直以來，工業(yè)電機驅動主要以對低成本、堅固耐用的功率半導體的需求為主導，對器件級效率的關注度相對較低。然而，隨著能源成本的不斷上升，以及對電流諧波和二氧化碳排放的監(jiān)管要求日益嚴格，設計人員開始積極尋找更高效率的解決方案。與此同時，大規(guī)模生產的、具備短路能力的碳化硅功率器件逐漸普及，這使得碳化硅在電機驅動領域有了廣闊的應用空間。賽米控丹佛斯通過對兩種不同類型的變頻器進行研究，得以在不同的電路位置檢驗碳化硅的技術優(yōu)勢。

一、線側（低諧波 / 再生驅動）

現(xiàn)代高性能變頻器通常采用有源前端（AFE），用有源器件替代無源整流器進行線路連接，主要基于以下兩個原因。其一，能夠解決變頻器對電網產生的諧波問題。三相橋式有源器件可以與電源頻率同步，從電源中吸取接近單位功率因數(shù)的正弦波電流。這種拓撲結構不僅能滿足諧波要求（如美國的 IEEE 519 標準），還能提高電網利用率。隨著工業(yè)應用的持續(xù)電氣化，這一問題變得愈發(fā)重要。其二，AFE 能夠將能量回饋到電網。在運行過程中會產生能量的應用場景中，這一特性非常有益，否則這些能量只能通過被動制動電阻來耗散。這類應用涵蓋了伺服驅動、起重機、電梯、自動扶梯、下坡輸送機、測功機等眾多領域。

簡單的 AFE 通常使用如圖 1 所示的電路。對于此類電路，用碳化硅 MOSFET 替代 IGBT 及對應的續(xù)流二極管可為整個系統(tǒng)帶來諸多好處。以一個完整的 20kW（27 馬力）AFE 驅動器為例，其運行參數(shù)如下：

在此次比較中，標準硅 IGBT 功率模塊采用了一代（第七代）的 1200V/50A IGBT，選定的碳化硅 MOSFET 功率模塊使用了 1200V/18mΩ MOSFET。兩種模塊均采用賽米控丹佛斯的 SEMITOP E1 封裝。在模擬過程中，將碳化硅的開關頻率提高，直至其結溫與硅器件相同。

表 1：模擬的 AFE 應用比較

即便在四倍的載波頻率下，碳化硅器件在每個三相電路中的總損耗仍降低了 34%。此外，對 LCL 濾波器的尺寸產生了直接影響。更高的開關頻率減少了所需的電感和電容，電感器的總重量幾乎減半，總體積減少了 70%。雖然碳化硅功率模塊的成本高于硅器件，但從系統(tǒng)的總擁有成本來看：更小的驅動器體積和重量可減少運輸、包裝和存儲空間，更便于安裝，還能減小面板和安裝空間；降低功率損耗可實現(xiàn)節(jié)能和成本降低，同時降低冷卻需求。從更廣泛的角度來看，碳化硅（SiC）帶來的巨大優(yōu)勢不僅彌補了組件成本，而且在 AFE 應用中，還能在整個產品生命周期內帶來顯著的成本效益。

二、逆變器側（傳統(tǒng)驅動器）

驅動器的逆變器側連接到電機，在應用碳化硅器件時面臨更多挑戰(zhàn)。與 AFE 示例相比，這里需要考慮一些限制和關鍵要求：逆變器必須能夠承受短路；dv/dt 必須限制在一定范圍內（例如，<5kV/μs），以避免對電機造成損壞；開關頻率需要受到限制，以確保驅動損耗在可接受的水平，并避免在屏蔽電機電纜中產生過大的漏電流。

碳化硅 MOSFET 的短路能力一直是備受關注的關鍵問題。不過，隨著一代產品的推出，現(xiàn)有的碳化硅器件能夠承受幾微秒的短路，使其成為電機驅動的可行選擇。

從圖 2 的原理圖可以看出，在這種應用中無法通過提高開關頻率來減小磁性元件的設計。盡管如此，碳化硅仍然具有一定優(yōu)勢。以一個典型的 15kW（20HP）電機驅動為例，其參數(shù)通常適用于可變扭矩應用：

用于比較的標準硅 IGBT 功率模塊采用了一代（第七代）1200V/35A IGBT，封裝形式為 SEMITOP E2。所選的碳化硅 MOSFET 功率模塊使用了 1200V/18mΩ MOSFET，這是來自 ROHM Semiconductor 的第四代產品，在賽米控丹佛斯功率模塊中使用時，具有 2μs 的短路能力（VG = 18V，Tj = 150°C，VDC = 720V）。對于這兩個示例模塊，選擇外部柵極電阻將 dv/dt 限制在 5kV/μs。

該應用用于驅動具有二次方轉矩特性的離心泵，如圖 3 所示。泵實際上主要在 40% 到 80% 的速度范圍內運行，這一運行區(qū)域對應于碳化硅 MOSFET 導通損耗較低的電流范圍。

相比于硅 IGBT，MOSFET 在開關損耗方面具有四倍的優(yōu)勢，因為碳化硅的開關損耗更低。當 MOSFET 的 dv/dt 降低到 5kV/μs 時，與 IGBT 解決方案相比，其在開關損耗方面的優(yōu)勢有所減小。然而，由于其線性的正向特性，MOSFET 的導通損耗更低。

這些圖表展示了整個 15kW 驅動器（包括二極管前端、直流母線電容器、逆變器）的損耗和效率，分別對應硅 IGBT（灰色）和碳化硅 MOSFET（紅色）。結果顯示，在整個適用的速度范圍內，碳化硅在損耗方面具有明顯優(yōu)勢。在低速時，配備碳化硅的驅動器比硅版本的損耗低 7%，在全速時損耗低 22%。這相當于在低速時總效率提高了 0.6%，在高速時提高了 0.5%。這些效率提升可以通過查看驅動器在不同操作速度下的時間分布轉化為實際的年度能耗節(jié)省。圖 5 中的年度負載估計基于工業(yè)泵驅動器的典型應用。如果計算每個負載點的損耗，就可以為每種驅動器計算出一年內的總能耗。

一年內，配備碳化硅的驅動器僅消耗了 377 千瓦時的累計能源支出，而配備硅（Si）的驅動器則消耗了 651 千瓦時。這種能源消耗減少 42% 具有實際的環(huán)境和財務影響。根據(jù) 2023 年混合標準，溫室氣體排放每年可減少 125 公斤二氧化碳。在像德國這樣的國家（2023 年電價為 0.20 歐元 / 千瓦時），配備碳化硅的驅動器增加的成本在一年內就能得到補償；而在美國這樣電費顯著較低的國家，不到三年就能收回成本。

此外，使用碳化硅還具有物理上的優(yōu)勢。由于碳化硅的半導體功率損耗較低，在相同溫升的情況下，散熱器體積可減少多達 71%。對于工業(yè)驅動器來說，這意味著可以減少氣流和冷卻風扇的數(shù)量。同時，安裝驅動器的面板和機柜可以更小更輕，從而降低材料、物流和安裝成本。相反，如果保持相同的熱設計，給定電機驅動框架尺寸的輸出功率可以增加多達 25%。

三、碳化硅功率模塊

為了滿足驅動制造商的需求，賽米控丹佛斯提供了常見拓撲結構和封裝形式的碳化硅功率模塊。SEMITOP E、MiniSKiiP 和 SEMITRANS Classic 都配備了來自 ROHM 的第四代碳化硅 MOSFET，具有短路能力和單極性柵極控制功能。這些器件與現(xiàn)有的硅器件引腳兼容，并配備了高性能的預涂覆熱界面材料。為了獲得的功率循環(huán)可靠性，MiniSKiiP 封裝中提供了燒結芯片，這些改進使得碳化硅能夠在具有嚴重過載峰值的應用中使用，如伺服或機器人驅動。