Wolfspeed的功率模塊如何變革三相工業低電壓電機驅動器

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的碳化硅（Silicon Carbide, 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的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。

使用SiC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25kW電機驅動系統中，對比20kHz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的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。

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。

圖 1：25 kW逆變器，Fsw = 8 kHz，SiC MOSFET

散熱器減小 77%：0.31 L（1.6℃/W）與 1.37 L（0.73℃/W）

如上圖表明，在具有0.8 L散熱器的25 kW逆變器中，使用Wolfspeed的碳化硅六管集成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的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。

圖 2：25 kW逆變器，Fsw = 8 kHz，較大的硅IGBT散熱器：1.37 L（0.7℃/W），較小的SiC散熱器0.8 L（0.99℃/W）

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8200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人民幣，并在未來15年積累節省約19,000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。

圖 3：25 kW逆變器，FSW = 16 kHz，SiC MOSFET

散熱器減小41%：0.80 L（0.99℃/W）對比1.37 L（0.73℃/W）

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的碳化硅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的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16kHz下的逆變器效率仍然高于IGBT在8kHz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，SiC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。