在电机应用中区分使用功率器件

本文的关键要点

・一般而言,IGBT覆盖输出容量大的低频区域,Si MOSFET覆盖输出容量小的高频区域,SiC MOSFET覆盖输出容量大的高频区域。

・在电机应用中,通常使用低频(~20kHz)开关驱动、支持大输出容量的IGBT。

・SiC MOSFET具有开关损耗低且支持大输出容量的优点,但其普及由于涉及到成本平衡而受到限制。

每种功率元器件都有其各自的特点,通常需要根据目标应用和所需特性和性能等来区分使用。本文将谈一下如何在电机应用中正确地区分使用IGBT、Si MOSFET和SiC MOSFET。

在电机应用中区分使用功率器件

下图与“IGBT的适用范围”一文中使用的图相同,图中根据不同功率器件的特点列出了不同工作频率和输出容量(VA)下的适用范围。对IGBT、Si MOSFET和SiC MOSFET的分立器件覆盖的面积进行比较后,可以汇总如下。当然,由于每种功率元器件都是多样化的,所以这里是基于通常的概括性特点进行汇总的。

  1. 在IGBT与Si MOSFET的比较中,IGBT覆盖输出容量大的低频区域,Si MOSFET覆盖输出容量小的高频区域。
  2. 在IGBT与SiC MOSFET的比较中,SiC MOSFET覆盖输出容量大的高频区域。
  3. Si MOSFET与SiC MOSFET覆盖的频率范围相同,但Si MOSFET覆盖低输出容量区域,而SiC MOSFET则覆盖高输出容量区域。
IGBT1-4_f1

下图更具体地列出了这些特点,并给出了在电机应用中区分使用它们时的要点。从正确区分使用的角度来看,不同条件下的损耗差异是非常重要的。损耗分导通损耗和开关损耗来考虑。下图中的IGBT、SiC MOSFET、Si MOSFET都是分立器件,“+SBD”和“+FRD”表示外置对应的分立二极管。

在导通损耗方面,如果流过的电流约在5A以下的范围,Si MOSFET优于IGBT,但在5A以上时IGBT表现更出色。该电流区域未被SiC MOSFET覆盖,因此通常考虑采用IGBT或Si MOSFET。Si MOSFET在以小电流运行的系统中占优势,比如家用空调的室外机等在轻负载时正常稳定运行占比多的应用。这也与上述①中的IGBT和Si MOSFET的覆盖范围比较结果一致。

关于开关损耗,随着PWM频率(开关频率)变快,在IGBT+FRD(快速恢复二极管)和SiC MOSFET+SBD(肖特基势垒二极管)之间的比较中,SiC MOSFET+SBD更具优势,与上述②中的比较结果一致。这是由于受IGBT+FRD的特点——导通时的反向恢复电流和关断时的尾电流的影响。SiC MOSFET+SBD因其不会流过尾电流而使开关损耗得以显著改善。

但是,对于电机应用而言,普通的电机多在20kHz以下的较低频率下使用,加上SiC MOSFET在成本方面不占优势,所以目前SiC MOSFET多在特殊应用中使用。在当今的电机应用中,考虑到性能、损耗和成本之间的平衡,IGBT是主流。

IGBT1-4_f2

综上所述,我们探讨了每种功率器件的特点以及包括成本在内的考量,最终需要根据应用的需求选择合适的产品。在包括逆变器在内的电机驱动应用中,除了上述的“IGBT分立器件+FRD”示例外,被广泛使用的还有面向电机应用的FRD内置型IGBT分立器件和IGBT IPM(智能功率模块)。

 

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