MOSFET 与 IGBT：电机驱动控制的未来
开关、电磁阀、编码器、发电机和电机等机电设备是从数字世界到达物理世界的必备桥梁。所有这些器件的神奇之处在于它们能够将电信号转化为机械动作。
随着自动化制造、电子车辆、先进建筑系统和智能电器等行业的发展，对这些机电器件的控制、效率和功能的需求也在增长。本文探讨了碳化硅 MOSFET (SiC MOSFET) 的突破如何重新定义历来利用硅 IGBT (Si IGBT) 进行功率转换的电动马达功能。这项创新扩展了几乎每个行业的电机驱动应用能力。
什么是 Si IGBT 和 SiC MOSFET？
Si IGBT 是硅绝缘栅双极晶体管的简称。SiC MOSFET 是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的简称。
Si IGBT 是电流控制器件，由施加到晶体管栅极端子的电流进行切换，而 MOSFET 由施加到栅极端子的电压进行电压控制。
Si IGBT 和 SiC MOSFET 的主要区别在于能够处理的电流类型。一般来说，MOSFET 适合高频开关应用，而 IGBT 更适合高功率应用。
为什么硅 IGBT 和碳化硅 MOSFET 在电机驱动应用中至关重要
电机在现代技术中无处不在，通常依靠电池系统作为其动力来源。例如，电动汽车利用大规模电池阵列系统，为车辆提供直流电，从而通过交流电机产生物理运动。对这些交流电机的绝对控制对于车辆的性能和效率，以及车内人员的安全至关重要。然而，这种动力总成系统依靠逆变器将来自电池的直流电转换为电机可以用来产生运动的交流信号。
这些逆变器精确控制电机的速度、扭矩、功率和效率，并实现再生制动功能。归根结底，逆变器对动力总成系统的价值不亚于电机。与电力应用中的所有器件一样，逆变器在功能和设计要求方面可能大有不同，并且对直流电到交流电机系统的整体系统性能至关重要。
现代直流转交流电机驱动应用中使用两种类型的逆变器：硅 IGBT 和碳化硅 MOSFET。一直以来，Si IGBT 都是最常见的，但 SiC MOSFET 凭借各种性能优势和不断下降的成本，也越来越受欢迎。当 SiC MOSFET 首次进入市场时，对于大多数电机驱动应用而言，它们的成本普遍过高。然而，随着这种先进技术的采用越来越多，规模化制造大大降低了 SiC MOSFET 的成本。
Si IGBT 与 SiC MOSFET 的优缺点对比
Si IGBT 由于其高电流处理能力、快速开关速度和低成本，历来用于直流转交流电机驱动应用。最重要的是，Si IGBT 具有较高的额定电压、较低的压降、电导损耗和热阻抗，因此是制造系统等高功率电机驱动应用的显而易见的选择。 然而，Si IGBT 一个显著的缺点是，它们非常容易热失控。当器件温度的上升不受控制时，就会发生热失控，导致器件出现故障并最终失效。在高电流、高电压和高工作条件常见的电机驱动应用中，如电动汽车或制造业，热失控可能是一个重大的设计风险。
作为应对这一设计挑战的解决方案，SiC MOSFET 对热失控的抵抗能力更强。碳化硅的热传导更好，可实现更好的器件级散热和稳定的工作温度。SiC MOSFET 更适合汽车和工业应用等温度较高的环境条件。此外，鉴于其热传导，SiC MOSFET 无需额外的冷却系统，从而有可能减小整体系统尺寸，并有可能降低系统成本。
由于 SiC MOSFET 的开关频率比 Si IGBT 高得多，因此非常适合精确电机控制至关重要的应用。在自动化制造中，高开关频率至关重要，高精度伺服马达用于工具臂控制、精密焊接和精确物体放置。
此外，与 Si IGBT 电机驱动系统相比，SiC MOSFET 的一个显著优势能够嵌入电机组件中，电机控制器和逆变器与电机嵌入在同一个外壳中。
将电机驱动组件迁移至电机的局部位置，可大幅减少驱动逆变器和电机驱动器之间的布线，从而显著节约成本。在图 B 的示例中，传统的 Si IGBT 电源柜可能需要 21 专属电缆来为机械臂的七个电机（标记为“M”）供电，这可能需要数百米昂贵而复杂的布线基础设施。使用 SiC MOSFET 电机驱动系统，电缆数量可以减少到两条长电缆，连接到本地电机组件内的每个电机驱动装置
图 2：机械臂的硅 IGBT 与碳化硅 MOSFET 系统控制的比较。
SiC MOSFETS 与 Si IGBT 的缺点对比
然而，与 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 也有缺点。首先，SiC MOSFET 仍然比 Si IGBT 昂贵，因此可能不太适合对成本敏感的应用。尽管 SiC MOSFETS 本身比较昂贵，但在某些应用中，整个电机驱动系统的价格可能会降低（通过减少布线、无源元件、热管理等），因此与 Si IGBT 系统相比总体上可能更便宜。这种成本节约可能需要在两个应用系统之间进行参考性设计和成本研究分析，但可以提高效率和节约成本。
SiC MOSFET 的另一个缺点是，它们可能具有更复杂的栅极驱动要求，因此在系统中的其他元件可能会限制栅极驱动资源的应用中，它们可能不如 IGBT 理想。
采用碳化硅 MOSFET 的改进型逆变器技术
碳化硅 MOSFET 极大地改进了电机驱动系统的逆变器技术。与所有类型的元件一样，在一些特殊的应用中，IGBT 可能更适合。然而，与 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 逆变器具有几个明显的优势，因此非常适合电机驱动应用和各种其他应用。
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