碳化硅MOSFET提升工業驅動器的能源效率詳解

目前工業傳動通常採用一般所熟知的硅基IGBT反相器（inverter），但最近開發的碳化硅MOSFET元件，為這個領域另外開闢出全新的可能性。

主要的技術關鍵推手和應用限制

以反相器為基礎的傳動應用，最常見的拓撲就是以6個電源開關連接3個半橋接電橋臂。

每一個半橋接電橋臂，都是以歐姆電感性負載（馬達）上的硬開關換流運作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉距。因為電感性負載的關係，每次換流都需要6個反平行二極體執行續流相位。當下旁（lower side）飛輪二極體呈現反向恢復，電流的方向就會和上旁（upper side）開關相同，反之亦然；因此，開啟狀態的換流就會電壓過衝（overshoot），造成額外的功率耗損。這代表在切換時，二極體的反相恢復對功率損失有很大的影響，因此也會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因為反向恢復電流和恢復時間的數值都低很多，因此能大幅減少恢復耗損以及對能耗的影響。

圖1和圖2分別為50 A-600 VDC狀況下，碳化硅MOSFET和硅基IGBT在開啟狀態下的換流情形。請看藍色條紋區塊，碳化硅MOSFET的反向恢復電流和反向恢復時間都減少很多。開啟和關閉期間的換流速度加快可減少開關時的電源耗損，但開關換流的速度還是有一些限制，因為可能造成電磁干擾、電壓尖峰和振盪問題惡化。

除此之外，影響工業傳動的重要參數之一，就是反相器輸出的快速換流暫態造成損害的風險。換流時電壓變動的比率（dv/dt）較高，馬達線路較長時確實會增加電壓尖峰，讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴重，長久以往可能導致繞組絕緣和馬達軸承故障。因此為了保障可靠度，一般工業傳動的電壓變動率通常在5-10 V/ns。

雖然這個條件看似會限制碳化硅MOSFET的實地應用，因為快速換流就是它的主要特色之一，但專為馬達控制所量身訂做的1200 V 硅基IGBT，其實可以在這些限制之下展現交換速度。在任何一個案例當中，無論圖1、圖2、圖3、圖4都顯示，跟硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET元件開啟或關閉時都保證能減少能源耗損，即使是在5 V/ns的強制條件下。

靜態與動態效能

以下將比較兩種技術的靜態和動態特質，設定條件為一般運作，接面溫度TJ = 110℃。圖5為兩種元件的輸出靜態電流電壓特性曲線（V-I curves）。兩相比較可看出無論何種狀況下碳化硅MOSFET的優勢都大幅領先，因為它的電壓呈現線性向前下降。

即使碳化硅MOSFET必須要有VGS = 18 V才能達到很高的RDS（ON），但可保證靜態效能遠優于硅基IGBT，能大幅減少導電耗損。

兩種元件都已經利用雙脈波測試，從動態的角度加以分析。兩者的比較是以應用為基礎，例如600 V匯流排直流電壓，開啟和關閉的dv/dt均設定為5 V/ns。

圖6為實驗期間所測得數據之摘要。跟硅基IGBT相比，在本實驗分析的電流范圍以內，碳化硅MOSFET的開啟和關閉能耗都明顯較低（約減少50%），甚至在5 V/ns的狀況下亦然。

碳化硅MOSFET對能源成本的經濟影響

當工業應用對能源的需求較高且必須密集使用，能源效率就成了關鍵因素之一。

為了將模擬的能源耗損數據結果轉換成能源成本比較概況，必須就年度的負載設定檔和能源成本這些會隨著時間或地點而有所不同的參數，設定一些基本假設。為達到簡化的目的，我們把狀況設定在只含兩種功率位階（負載因素100和50%）的基本負載設定檔。設定檔1和設定檔2的差別，只在于每個功率位準持續的時間長短。為凸顯能源成本的減少，我們將狀況設定為持續運作的工業應用。任務檔案1設定為每年有60%的時間處于負載50%，其他時間（40%）負載100%。

對于每個任務檔案全年能源成本的經濟影響，乃以0.14