摘要
由於電動馬達佔工業大部分的耗電量，工業傳動的能源效率成為一大關鍵挑戰。因此，半導體製造商必須花費大量心神，來強化轉換器階段所使用功率元件之效能。意法半導體（ST）最新的碳化矽金屬氧化物半導體場效電晶體（SiC MOSFET）技術，為電力切換領域立下全新的效能標準。
本文將強調出無論就能源效率、散熱片尺寸或節省成本方面來看，工業傳動不用矽基（Si）絕緣柵雙極電晶體（IGBT）而改用碳化矽MOSFET有哪些優點。
1．導言
目前工業傳動通常採用一般所熟知的矽基IGBT反相器（inverter），但最近開發的碳化矽MOSFET元件，為這個領域另外開闢出全新的可能性。
意法半導體的碳化矽MOSFET技術，不但每單位面積的導通電阻非常之低，切換效能絕佳，而且跟傳統的矽基續流二極體（FWD）相比，內接二極體關閉時的反向恢復能量仍在可忽略範圍內。
考量到幫浦、風扇和伺服驅動等工業傳動都必須持續運轉，利用碳化矽MOSFET便有可能提升能源效率，並大幅降低能耗。
本文將比較1200 V碳化矽MOSFET和Si IGBT的主要特色，兩者皆採ACEPACK?封裝，請見表1。
表1：元件分析
本文將利用意法半導體的PowerStudio軟體，將雙脈波測試的實驗數據和統計測量結果套用在模擬當中。模擬20kW的工業傳動，並評估每個解決方案每年所耗電力，還有冷卻系統的要求。
2．主要的技術關鍵推手和應用限制
以反相器為基礎的傳動應用，最常見的拓撲就是以6個電源開關連接3個半橋接電橋臂。
每一個半橋接電橋臂，都是以歐姆電感性負載（馬達）上的硬開關換流運作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉距。因為電感性負載的關係，每次換流都需要6個反平行二極體執行續流相位。當下旁（lower side）飛輪二極體呈現反向恢復，電流的方向就會和上旁（upper side）開關相同，反之亦然；因此，開啟狀態的換流就會電壓過衝（overshoot），造成額外的功率耗損。這代表在切換時，二極體的反相恢復對功率損失有很大的影響，因此也會影響整體的能源效率。
跟矽基FWD搭配矽基IGBT的作法相比，碳化矽MOSFET因為反向恢復電流和恢復時間的數值都低很多，因此能大幅減少恢復耗損以及對能耗的影響。
圖1和圖2分別為50 A－600 VDC狀況下，碳化矽MOSFET和矽基IGBT在開啟狀態下的換流情形。請看藍色條紋區塊，碳化矽MOSFET的反向恢復電流和反向恢復時間都減少很多。開啟和關閉期間的換流速度加快可減少開關時的電源耗損，但開關換流的速度還是有一些限制，因為可能造成電磁幹擾、電壓尖峰和振盪問題惡化。
圖1：開啟狀態的碳化矽MOSFET
圖2：開啟狀態的矽基IGBT
除此之外，影響工業傳動的重要參數之一，就是反相器輸出的快速換流暫態造成損害的風險。換流時電壓變動的比率（dv／dt）較高，馬達線路較長時確實會增加電壓尖峰，讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴重，長久以往可能導致繞組絕緣和馬達軸承故障。因此為了保障可靠度，一般工業傳動的電壓變動率通常在5－10 V／ns。雖然這個條件看似會限制碳化矽MOSFET的實地應用，因為快速換流就是它的主要特色之一，但專為馬達控制所量身訂做的1200 V 矽基IGBT，其實可以在這些限制之下展現交換速度。在任何一個案例當中，無論圖1、圖2、圖3、圖4都顯示，跟矽基IGBT相比，碳化矽MOSFET元件開啟或關閉時都保證能減少能源耗損，即使是在5 V／ns的強制條件下。
圖3：關閉狀態的矽基MOSFET
圖4：關閉狀態的矽基IGBT
3．靜態與動態效能
以下將比較兩種技術的靜態和動態特質，設定條件為一般運作，接面溫度TJ ＝ 110 °C。
圖5為兩種元件的輸出靜態電流電壓特性曲線（V－I curves）。兩相比較可看出無論何種狀況下碳化矽MOSFET的優勢都大幅領先，因為它的電壓呈現線性向前下降。
即使碳化矽MOSFET必須要有VGS ＝ 18 V才能達到很高的RDS（ON），但可保證靜態效能遠優於矽基IGBT，能大幅減少導電耗損。
圖5：比較動態特質
兩種元件都已經利用雙脈波測試，從動態的角度加以分析。兩者的比較是以應用為基礎，例如600 V匯流排直流電壓，開啟和關閉的dv／dt均設定為5 V／ns。