什么是Si IGBT和SiC MOSFET?
Si IGBT是硅絕緣柵雙極晶體管的簡寫。SiC MOSFET是碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的簡稱。
Si IGBT是電流控制器件，由施加到晶體管柵極端子的電流來切換，而MOSFET則由施加到柵極端子的電壓進(jìn)行電壓控制。
Si IGBT和SiC
MOSFET之間的主要區(qū)別在于它們可以處理的電流類型。一般來說，MOSFET適用于高頻開關(guān)應(yīng)用，而IGBT更適合高功率應(yīng)用。
為什么硅IGBT和碳化硅MOSFET在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中至關(guān)重要
電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代技術(shù)中無處不在，通常依靠電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源。例如，電動(dòng)汽車?yán)么笮碗姵仃嚵邢到y(tǒng)為車輛提供直流電源，從而通過交流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生物理運(yùn)動(dòng)。對(duì)這些交流電機(jī)的絕對(duì)控制對(duì)于車輛的性能和效率以及車內(nèi)人員的安全至關(guān)重要。然而，這種動(dòng)力總成系統(tǒng)依靠逆變器將來自電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)，電機(jī)可以使用該信號(hào)來產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
這些逆變器可精確控制電機(jī)的速度、扭矩、功率和效率，并實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)功能。歸根結(jié)底，逆變器對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)的價(jià)值與電機(jī)一樣重要。與電源應(yīng)用中的所有設(shè)備一樣，逆變器在功能和設(shè)計(jì)要求方面可能會(huì)有很大差異，并且對(duì)于直流電源到交流電機(jī)系統(tǒng)的整體系統(tǒng)性能至關(guān)重要。
現(xiàn)代直流到交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用使用兩種類型的逆變器：硅IGBT和碳化硅MOSFET。從歷史上看，Si IGBT是最常見的，但SiC
MOSFET因其各種性能優(yōu)勢(shì)和不斷降低成本而成倍受歡迎。當(dāng)SiC
MOSFET首次進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，它們對(duì)于大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用來說成本過高。然而，隨著這種卓越技術(shù)的采用增加，規(guī)模化制造大大降低了SiC MOSFET的成本。
Si IGBT與SiC MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)
Si IGBT具有高電流處理能力、快速開關(guān)速度和低成本等特點(diǎn)，一直被用于直流到交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。最重要的是，Si
IGBT具有高額定電壓、低壓降、低電導(dǎo)損耗和熱阻，使其成為制造系統(tǒng)等大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的不二之選。 然而，Si
IGBT的一個(gè)相當(dāng)大的缺點(diǎn)是它們極易受到熱失控的影響。當(dāng)設(shè)備溫度不受控制地上升時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱失控，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障并最終失效。在高電流、高電壓和高工作條件常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，例如電動(dòng)汽車或制造業(yè)，熱失控可能是一個(gè)重大的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
作為應(yīng)對(duì)這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的解決方案，SiC MOSFET具有更強(qiáng)的抗熱失控能力。碳化硅的導(dǎo)熱性更強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)更好的器件級(jí)散熱和穩(wěn)定的工作溫度。SiC
MOSFET更適合汽車和工業(yè)應(yīng)用等較溫暖的環(huán)境條件空間。此外，鑒于其導(dǎo)熱性，SiC
MOSFET可以消除對(duì)額外冷卻系統(tǒng)的需求，從而可能減小整體系統(tǒng)尺寸并可能降低系統(tǒng)成本。
由于SiC MOSFET的工作開關(guān)頻率比Si
IGBT高得多，因此非常適合需要精確電機(jī)控制的應(yīng)用。在自動(dòng)化制造中，高開關(guān)頻率至關(guān)重要，其中高精度伺服電機(jī)用于工具臂控制、精密焊接和精確的物體放置。
此外，與Si IGBT電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)相比，SiC
MOSFET的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是它們能夠嵌入到電機(jī)組件中，電機(jī)控制器和逆變器嵌入與電機(jī)相同的外殼中。
通過將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組件移動(dòng)到電機(jī)的本地位置，可以大大減少驅(qū)動(dòng)逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的布線，從而節(jié)省大量成本。在圖 B 的示例中，傳統(tǒng)的 Si IGBT
電源柜可能需要 21 根獨(dú)特的電纜來為機(jī)械臂的 <> 個(gè)電機(jī)(標(biāo)記為“M”)供電，這可能相當(dāng)于數(shù)百米昂貴且復(fù)雜的布線基礎(chǔ)設(shè)施。使用SiC
MOSFET電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電纜數(shù)量可以減少到兩根長電纜，連接到本地電機(jī)組件內(nèi)的每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器.
圖2：機(jī)械臂的硅IGBT與碳化硅MOSFET系統(tǒng)控制比較
SiC MOSFETS與Si IGBT的缺點(diǎn)
然而，與Si IGBT相比，SiC MOSFET也有缺點(diǎn)。首先，SiC MOSFET仍然比Si
IGBT更昂貴，因此可能不太適合對(duì)成本敏感的應(yīng)用。雖然SiC MOSFET本身更昂貴，但與Si
IGBT系統(tǒng)相比，某些應(yīng)用可能會(huì)降低整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的價(jià)格(通過減少布線、無源元件、熱管理等)，并且總體上可能更便宜。這種成本節(jié)約可能需要在兩個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)和成本研究分析，但可以提高效率并節(jié)省成本。
SiC
MOSFET的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它們可能具有更復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)要求，這可能使它們?cè)谙到y(tǒng)中其他組件可能限制柵極驅(qū)動(dòng)資源的應(yīng)用中不如IGBT理想。
采用碳化硅MOSFET的改進(jìn)逆變器技術(shù)
碳化硅MOSFET極大地改進(jìn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的逆變器技術(shù)。與所有類型的組件一樣，在某些特定應(yīng)用中，IGBT可能仍然更適合。然而，與Si
IGBT相比，SiC MOSFET逆變器具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，使其成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用和各種其他應(yīng)用非常有吸引力的解決方案。
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