Wolfspeed功率模块如何革新三相工业低压电机驱动系统

根据最保守的估计，电动机在全球工业用电量中占比超过50%，在全球总用电量中占比为45%。即使仅将工业电机驱动系统的效率提高哪怕是极小的一个百分比，也将对全球能源消耗产生重大影响，并减少对环境的影响。为了应对全球范围内的能源消耗问题，越来越严格的效率标准正逐步出台，这给电力电子设计人员带来了新的挑战。

Wolfspeed 的碳化硅通过将传统 IGBT 替换为碳化硅，可以实现提升 2.4% 或更高的效率，从而为改善工业电机驱动系统的效率提供了极佳的解决方案。进一步利用碳化硅重新设计，可以实现驱动器与电机的融合，从而创建更小、更轻的嵌入式工业驱动器。
在本文中，我们将探讨 Wolfspeed 的 WolfPACK™ 功率模块如何在提升效率的同时，将损耗降低高达 50%，并实现更小、更轻、更热稳定的嵌入式 25 kW 三相低压工业电机驱动器。

通过使用碳化硅 (SiC) 实现更高效率并使用更小的散热器

一个典型的电机驱动系统由一个交流到直流（主动前端，AFE）阶段和一个直流到交流（逆变器）阶段组成。在一个25kW的电机驱动系统中，六开关主动前端（AFE）以45kHz频率开关运行，对比采用以20kHz频率开关运行的硅器件，设计人员可以实现前端阶段1.3%的效率提升。当将Wolfspeed额定电流为30A的功率模块与额定电流为100A的硅绝缘栅双极型晶体管（Si-IGBT）模块进行保守对比，且都以8kHz开关频率运行时，逆变器也能实现类似的效率提升。这两项改进结合起来能够带来总计2.6%的效率提升，系统范围内损耗减少50%，并使一个集成电机达到IE4效率标准，而原始系统仅符合IE3标准。
使用碳化硅对逆变器进行提升的最显著优势之一是系统产生的热量显著减少，这使设计人员能够使用更小的散热器，同时设计整体更小、更轻的工业电机驱动系统。

图 1：25 kW 逆变器，Fsw = 8 kHz，SiC MOSFET 散热器减少 77%：0.31L (1.6°C/W) vs. 1.37L (0.73°C/W)

上图展示了在使用Wolfspeed的碳化硅六管模块WolfPACK™与传统硅IGBT模块相比时，在配备0.8升散热器的25 kW逆变器中的效率提升。当功率水平增加时，额定50 A和100 A的硅IGBT的结温上升，导致其失效，而Wolfspeed的32 A碳化硅MOSFET则保持稳定，且结温远低于失效阈值。
值得注意的是，上述效率提升不仅体现在满载运行下，还体现在部分负载运行时。在某些部分负载条件下，效率的提升幅度更高，这非常适合这些设备的典型负载特性。此外，所测试的碳化硅器件是一个较低额定电流的型号，其在最大负载时的结温为105°C，这为系统最大允许极限提供了很大的缓冲，而50 A的IGBT模块在最大负载时已显著超过极限，100 A的IGBT模块则略微超过极限。这里的“极限”定义为150°C，并基于此类系统中功率模块的最大允许结温的常见系统要求。

图 2：25 kW 逆变器，开关频率 Fsw = 8 kHz，较大的硅 IGBT 散热器：1.37 L (0.7°C/W)，较小的 SiC 散热器：0.8 L (0.99°C/W)

为了确保一个可行、运行良好且优化的系统，我们将IGBT的散热器体积从0.8升增加到1.37升，使用了不同的散热器，同时将碳化硅的散热器减少了61%，使其结温升高，从而减少缓冲。相比IGBT来说，这使得碳化硅解决方案的散热器体积减少了77%。尽管进行了这些调整，50A的IGBT仍然远高于150°C的温度限制，但我们的32A元件和100A的IGBT在最终的结温大约是129°C左右。另外值得注意的是，碳化硅逆变器的效率提高了1.1%。总之，在一个三相供电、25千瓦的系统中，使用一个更小且更加优化的碳化硅散热器，整体效率提高了2.4%，损耗减少了600瓦，同时仍然达到了IE4效率标准，而最初这个集成电机是IE3级别。

在不增加额外成本的情况下，实现全系统损失最多减少50%

在工业低压电机驱动系统中，碳化硅在系统层面展现出巨大的价值。虽然碳化硅器件的初始成本可能高于传统的硅基IGBT，但由于其更高的开关频率和更低的损耗，所需的被动元件和散热器投资显著减少。

这种优化后的系统能够节省高达605瓦的功耗。考虑到每年的运行时间为8200小时，并且根据2023年11月中国的电价计算，这将为一个25千瓦的系统每年节省1,297.8元人民币，在未来15年内可累计节省约19,000元人民币。虽然使用碳化硅器件替代IGBT的初始成本更高，但是从整体系统成本来看，碳化硅更高的成本通过减少被动元件投资得到了抵消，同时还能为工业电机驱动终端系统实现全新的效率水平。

图 3：25 kW 逆变器，开关频率 (FSW) = 16 kHz，减小 41% 的碳化硅 (SiC) MOSFET 散热器体积：0.80 L (0.99°C/W) 对比 1.37 L (0.73°C/W)

在图 3 中，我们进一步证明了碳化硅如何在更高的开关频率下实现卓越性能。这里我们将开关频率从 8 kHz 提升至 16 kHz，并使用比同类 IGBT 散热器小 41% 的散热器。使用 Wolfspeed 的碳化硅 FM3 六模块功率模块，我们仍能保持超过或接近 99% 的效率，并在峰值负载下接近 150°C 的温度限制。而使用额定 50 A 和 100 A 的 IGBT，则分别在大约 10 kW 和 15 kW 时由于开关损耗增加而开始出现热失效。为了让这些高额定电流的 IGBT 的性能达到与 Wolfspeed 的 FM3 碳化硅模块同等的水平，设计人员需要使用更大的散热器或额定更高电流的元件。有趣的是，在 16 kHz 下使用碳化硅的逆变器效率仍然高于 8 kHz 下使用 IGBT 的逆变器效率。

结论

总结来说，用碳化硅取代传统的硅基IGBTs，可以在一个25kW的工业低电压电机驱动系统中实现高达2.6%的整体效率提升。在整个负载范围内，即使在更高功率水平下，也可以实现显著的效率提升，从而带来巨大的能源节约。由于更小的无源元件和散热器，碳化硅还提供了更高的功率密度，并能实现整体系统成本和尺寸的优化。此外，碳化硅器件的高结温能力和改进的热散性能与更低的损耗相结合，使设计人员能够构建更紧凑的系统，从而轻松实现驱动和电机的集成。

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