【導讀】根據最保守的估計，電機占全球工業用電量的 50% 以上，占全球用電量的 45%。哪怕只是提高一點點工業電機驅動系統的效率，都將極大地影響全球能源消耗，并減少對環境的影響。為了解決全球范圍內的能源消耗問題，越來越嚴格的能效標準不斷涌現，這給電力電子設計人員帶來了新的挑戰。
根據最保守的估計，電機占全球工業用電量的 50% 以上，占全球用電量的 45%。哪怕只是提高一點點工業電機驅動系統的效率，都將極大地影響全球能源消耗，并減少對環境的影響。為了解決全球范圍內的能源消耗問題，越來越嚴格的能效標準不斷涌現，這給電力電子設計人員帶來了新的挑戰。
Wolfspeed 碳化硅（SiC）為提高工業電機驅動器的效率，提供了出色的解決方案，只需用碳化硅替換傳統 IGBT，即可實現 2.4% 甚至更高的效率增益。利用碳化硅進行進一步的重新設計，可以實現驅動器和電機的集成，從而創建更小、更輕的嵌入式工業驅動器。
在本文中，我們將探討 Wolfspeed WolfPACK 功率模塊如何將損耗降低高達 50%，同時實現更小、更輕、熱穩定性更高的嵌入式 25 kW 三相工業低電壓電機驅動器。
采用碳化硅通過更小的散熱器實現更高的效率
典型的電機驅動系統由一個 AC-DC（有源前端）級和一個 DC-AC（逆變器）級所組成。在具有 45 kHz 開關頻率的六開關有源前端（AFE）的 25 kW 電機驅動系統中，對比 20 kHz 硅開關作為基準測試時，設計人員可以將前端級的效率提高 1.3%。當 Wolfspeed 30 A 額定功率模塊與 100 A 額定硅 IGBT 模塊（兩者均以 8 kHz 開關）進行保守的基準比較時，逆變器也可以實現類似的改進。這兩項變化共同帶來令人印象深刻的 2.6% 效率提升，整個系統損耗減少 50%，并幫助集成式電機達到 IE4 效率標準，原始系統則僅達到 IE3 標準。
如上圖表明，在具有 0.8 L 散熱器的 25 kW 逆變器中，使用 Wolfspeed 碳化硅六管集成 WolfPACK 模塊與傳統硅 IGBT 模塊相比，效率有所提高。隨著功率水平的增加，50 A 和 100 A 額定硅 IGBT 的結溫升高，導致它們失效，而 Wolfspeed 32 A 碳化硅 MOSFET 則保持穩定，并遠低于失效溫度閾值。
值得注意的是，上述效率提升不僅出現在峰值負載下，也出現在部分負載下。在某些部分負載下，效率提升更高，非常適合這些機器的典型負載曲線。此外，正在測試的碳化硅器件是額定電流較低的部件，最大負載時的結溫為 105℃，創造了重要的緩沖裕量以最大幅度地提高了允許的系統能力限制，而 50 A IGBT 模塊則明顯超出了限制，并且 100 A IGBT 則稍微超出最大的負載限制。這里的“限制”被定義為 150℃，這個最大結溫是基于功率模塊應用系統中允許的常規要求。
為了確保系統可行、正常運行和優化，我們使用不同的散熱器，將 IGBT 散熱器尺寸從 0.8 L 增大到 1.37 L，并將碳化硅散熱器尺寸減小 61%，確保提高其結溫以減少裕量。與 IGBT 相比，碳化硅解決方案的散熱器尺寸減小了77%，盡管進行了這些修改，50 A IGBT 仍然明顯高于 150℃ 的溫度限制，但我們的 32 A 部件和 100 A IGBT 最終處于 129℃ 左右的相同結溫。另外值得注意的是，碳化硅逆變器的效率提高了 1.1%。總之，在三相供電的 25 kW 系統中使用更精簡且更優化的碳化硅散熱器，整體效率提高了 2.4%，損耗減少了 600 W，同時最初是 IE3 標準的集成電機仍然可達到 IE4 效率標準。
無需額外成本即可將全系統損耗減少高達 50%
碳化硅在工業低電壓電機驅動的系統級呈現出巨大的價值，雖然碳化硅器件的前期成本可能超過傳統硅 IGBT，但更高的開關頻率和更低的損耗，意味著對無源器件和散熱器的投資更少。
對于 25 kW 系統來說，這種優化的系統可節省高達 605 W，考慮到每年運行 8,200 小時的不同負載曲線，根據截至 2023 年 11 月中國的電費計算，每年可節省 1,297.8 元人民幣，并在未來 15 年積累節省約 19,000 元人民幣。用碳化硅器件取代 IGBT 的前期成本可能會更高，但當我們考慮整個系統成本時，碳化硅的較高成本可以通過無源器件的減少來抵消，并同時將工業電機驅動端系統的效率提升到新的水平。
采用碳化硅的逆變器最值得關注的改進之一，則是顯著減少系統產生的熱量，使設計人員能夠使用更小的散熱器，并設計整體更小、更輕的工業電機驅動系統。
在圖3中，我們進一步支持碳化硅如何在更高的開關頻率下實現卓越的性能。在這里，我們將開關頻率從 8 kHz 提高到 16 kHz，并使用比同類 IGBT 散熱器小 41% 的散熱器。借助 Wolfspeed 碳化硅 FM3 六管集成功率模塊，我們的效率仍然高于或接近 99%，并且在峰值負載時接近 150℃ 的溫度限制。對于 50 A 和 100 A IGBT，由于開關損耗增加，我們分別在 10 kW 和 15 kW 左右開始出現熱失效。為了使這些更高額定電流的 IGBT 與 Wolfspeed FM3 碳化硅模塊一樣有效地運行，設計人員需要使用更大的散熱器或更高額定電流的部件。有趣的是，碳化硅在 16 kHz 下的逆變器效率仍然高于 IGBT 在 8 kHz 下的逆變器效率。
結語
總之，用碳化硅替代傳統的硅 IGBT，可以在 25 kW 工業低電壓電機驅動系統中實現高達 2.6% 的整體效率提升。在整個負載曲線中，可以在更高功率水平下實現高效率改進，從而節省大量能源。由于無源組件和散熱器更小，碳化硅還提供了更高的功率密度，并帶來整體系統成本和尺寸的優化。此外，碳化硅器件的高結溫可能性、改進的散熱，以及較低的損耗，使設計人員能夠構建更緊湊的系統，從而輕松集成驅動器和電機。
（作者：Pranjal Srivastava）
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