據(jù)最保守估計(jì)，電機(jī)用電量占全球工業(yè)用電總量的 50% 以上，占全球用電總量的 45%。即使微弱提升工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，也會對全球能源消耗產(chǎn)生重大意義，并減少對環(huán)境的影響。為應(yīng)對全球范圍內(nèi)的能源消耗問題，針對效率制定的標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)嚴(yán)格，對電力電子設(shè)計(jì)人員提出了新的挑戰(zhàn)。

碳化硅（SiC）是一種出色的解決方案，可提升工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率，只需使用碳化硅取代傳統(tǒng)的 IGBT，即可將效率提升 2.4% 甚至更高。利用碳化硅對系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)的集成，助力打造體積更小、重量更輕的嵌入式工業(yè)驅(qū)動(dòng)。

本文將探討 1200 V 碳化硅功率模塊如何將損耗減少高達(dá) 50%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)體積更小、重量更輕、熱穩(wěn)定性更佳的嵌入式 25 kW 三相工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

采用碳化硅，以更小的散熱器實(shí)現(xiàn)更高效率 

典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由 AC-DC（有源前端）級和 DC-AC（逆變器）級組成。在采用六開關(guān)有源前端 (AFE)（開關(guān)頻率為 45 kHz）的 25 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員可在前端級實(shí)現(xiàn) 1.3% 的效率提升（與開關(guān)頻率為 20 kHz 的硅器件進(jìn)行基準(zhǔn)比較）。而當(dāng)額定電流為 30 A 的 Wolfspeed 功率模塊與額定電流為 100 A 的硅基 IGBT 模塊（開關(guān)頻率均為 8 kHz）進(jìn)行保守基準(zhǔn)比較時(shí)，可在逆變器中實(shí)現(xiàn)類似的效率提升。這兩項(xiàng)提升結(jié)合在一起后，整個(gè)系統(tǒng)的效率提升 2.6%，損耗減少 50%，能效提升非?？捎^。假定原始系統(tǒng)為 IE3 能效標(biāo)準(zhǔn)，則改進(jìn)后的集成電機(jī)系統(tǒng)有可能達(dá)到 IE4 能效標(biāo)準(zhǔn)。

在使用碳化硅的逆變器中，值得注意的改進(jìn)還包括系統(tǒng)產(chǎn)生熱量的顯著減少，使設(shè)計(jì)人員能夠使用更小的散熱器，設(shè)計(jì)出整體更小型、更輕量的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 

圖 1：25 kW 逆變器，F(xiàn)sw = 8 kHz，

碳化硅 MOSFET 散熱器尺寸減少 77%：

0.31 L (1.6 °C/W) vs. 1.37 L (0.73 °C/W)  

圖 1 展示了在 25 kW 逆變器（使用 0.8 L 散熱器）中，當(dāng)使用 Wolfspeed 的碳化硅六管集成 WolfPACKTM 模塊時(shí)，效率相較于傳統(tǒng)硅基 IGBT 模塊有所提升。隨著功率水平的提升，50 A 和 100 A 額定電流硅基 IGBT 的結(jié)溫增加，導(dǎo)致硅基 IGBT 失效，而 Wolfspeed 32 A 碳化硅 MOSFET 保持穩(wěn)定，并超過額定溫度閾值。

值得注意的是，上述效率的提升不僅體現(xiàn)在峰值負(fù)載時(shí)，也體現(xiàn)在部分負(fù)載時(shí)。在某些部分負(fù)載情況下，效率的提升幅度更大，非常適合此類機(jī)器的典型負(fù)載情況。此外，測試中使用的碳化硅器件為較低額定電流部件，最大負(fù)載下的結(jié)溫為 105 °C，可提供充分的緩沖，最大限度地提高允許系統(tǒng)限值。而 50 A IGBT 模塊在最大負(fù)載下明顯超過此限值，100 A IGBT 模塊在最大負(fù)載下略超過此限值。此處的“限值”定義為 150 °C。此限值基于此類功率模塊系統(tǒng)種有關(guān)最大允許結(jié)溫的通常系統(tǒng)要求。

圖 2：25 kW 逆變器，F(xiàn)sw = 8 kHz，

較大的硅 IGBT 散熱器：1.37 L (0.7 °C/W)，

較小的碳化硅散熱器：0.8 L (0.99 °C/W)

為確保構(gòu)建出切實(shí)可行、能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)并經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)，我們更換了原有散熱器，將 IGBT 散熱器的尺寸從 0.8 L 增加到 1.37 L，將碳化硅散熱器的尺寸減少了 61%，目的是充分利用減少的功率損耗，同時(shí)提高功率密度并節(jié)省散熱器成本（見圖 2）。更改之后，碳化硅解決方案的散熱器尺寸相比 IGBT 縮小 77%。盡管進(jìn)行了此類更改，50 A IGBT 仍明顯高于 150 °C 的溫度限值，而 Wolfspeed 32 A 部件與 100 A IGBT 最終落在 129 °C 左右的相同結(jié)溫區(qū)間。同樣值得注意的是，碳化硅逆變器的效率提高了 1.1%?？傊谌喙╇?、25 kW 系統(tǒng)中使用優(yōu)化后的更小尺寸散熱器結(jié)合碳化硅，可減少 600 W 損耗，總體效率提高 2.4%，同時(shí)仍然可以使最初設(shè)計(jì)為 IE3 能效標(biāo)準(zhǔn)的集成電機(jī)達(dá)到 IE4 能效標(biāo)準(zhǔn)。 

在不增加成本情況下，將整個(gè)系統(tǒng)的損耗減少多達(dá) 50% 

碳化硅在工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)層面展現(xiàn)出巨大價(jià)值。雖然碳化硅器件的前期成本可能超過傳統(tǒng)硅基 IGBT，但更高的開關(guān)頻率和更低的損耗意味著可減少在無源器件和散熱器上的投資。上述經(jīng)優(yōu)化的系統(tǒng)可節(jié)省多達(dá) 605 W 的電力。對于 25 kW 系統(tǒng)，如果考慮在不同負(fù)載下每年運(yùn)行 8,200 小時(shí)的情況，根據(jù) 2023 年 11 月的中國電費(fèi)計(jì)算，每年可節(jié)省 1,297.8 元。在接下來的 15 年里，累計(jì)可節(jié)省高達(dá)約 19,000 元。使用碳化硅器件取代 IGBT 的前期成本可能更高，但如果考慮整體系統(tǒng)成本，更高的碳化硅采用成本會被無源器件使用量的減少所完全抵消，同時(shí)可將工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端系統(tǒng)的效率提高到全新水平。

圖 3：25 kW 逆變器，F(xiàn)sw = 16 kHz，

碳化硅 MOSFET 散熱器尺寸減小 41%：

0.80 L (0.99 °C/W) vs 1.37 L (0.73 °C/W) 

圖 3 進(jìn)一步展示了碳化硅如何在更高開關(guān)頻率下助力實(shí)現(xiàn)卓越性能。我們在此將開關(guān)頻率從 8 kHz 提高到 16 kHz，并使用比同類 IGBT 散熱器的尺寸小 41% 的散熱器。 

使用 Wolfspeed 的碳化硅 FM3 六管集成功率模塊，我們?nèi)钥蓪?shí)現(xiàn)高于或接近 99% 的效率，并在峰值負(fù)載情況下實(shí)現(xiàn)接近 150 °C 的溫度限值。對于 50 A 和 100 A IGBT，由于開關(guān)損耗增加，分別在 10 kW 和 15 kW 左右時(shí)開始出現(xiàn)熱失效。為了使此類更高額定電流的 IGBT 與 Wolfspeed 的 FM3 碳化硅模塊一樣有效運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員需要采用尺寸更大的散熱器，或者采用額定電流更高的部件。值得注意的是，16 kHz 開關(guān)頻率下碳化硅逆變器的效率仍高于 8 kHz 開關(guān)頻率下 IGBT 逆變器的效率。

總結(jié)

綜上所述，在 25 kW 工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，使用碳化硅取代傳統(tǒng)的硅基 IGBT，可將整體效率提升高達(dá) 2.6%。在整個(gè)負(fù)載情況中，可實(shí)現(xiàn)更高功率水平下的高效率提升，從而節(jié)省大量能源。碳化硅還可通過縮小無源器件和散熱器來提高功率密度，從而優(yōu)化整體系統(tǒng)成本和尺寸。此外，碳化硅器件結(jié)溫高、散熱性能好、損耗低，使設(shè)計(jì)人員能夠構(gòu)建更緊湊的系統(tǒng)，從而輕松集成驅(qū)動(dòng)和電機(jī)。

（來源：Wolfspeed）