SiC MOSFET與Si IGBT對比:SiC MOSFET的優(yōu)勢
發(fā)布時間:2023-12-14 09:45:07 瀏覽:925
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體場效應晶體管的簡稱。
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適用于高頻開關應用,而IGBT更適合高功率應用。
為什么硅IGBT和碳化硅MOSFET在電機驅(qū)動應用中至關重要
電動機在現(xiàn)代技術(shù)中無處不在,通常依靠電池系統(tǒng)作為動力源。例如,電動汽車利用大型電池陣列系統(tǒng)為車輛提供直流電源,從而通過交流電動機產(chǎn)生物理運動。對這些交流電機的絕對控制對于車輛的性能和效率以及車內(nèi)人員的安全至關重要。然而,這種動力總成系統(tǒng)依靠逆變器將來自電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流信號,電機可以使用該信號來產(chǎn)生運動。
這些逆變器可精確控制電機的速度、扭矩、功率和效率,并實現(xiàn)再生制動功能。歸根結(jié)底,逆變器對動力總成系統(tǒng)的價值與電機一樣重要。與電源應用中的所有設備一樣,逆變器在功能和設計要求方面可能會有很大差異,并且對于直流電源到交流電機系統(tǒng)的整體系統(tǒng)性能至關重要。
現(xiàn)代直流到交流電機驅(qū)動應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)勢和不斷降低成本而成倍受歡迎。當SiC MOSFET首次進入市場時,它們對于大多數(shù)電機驅(qū)動應用來說成本過高。然而,隨著這種卓越技術(shù)的采用增加,規(guī)?;圃齑蟠蠼档土薙iC MOSFET的成本。
Si IGBT與SiC MOSFET的優(yōu)缺點
Si IGBT具有高電流處理能力、快速開關速度和低成本等特點,一直被用于直流到交流電機驅(qū)動應用。最重要的是,Si IGBT具有高額定電壓、低壓降、低電導損耗和熱阻,使其成為制造系統(tǒng)等大功率電機驅(qū)動應用的不二之選。 然而,Si IGBT的一個相當大的缺點是它們極易受到熱失控的影響。當設備溫度不受控制地上升時,就會發(fā)生熱失控,導致設備發(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驅(qū)動應用中,例如電動汽車或制造業(yè),熱失控可能是一個重大的設計風險。
作為應對這一設計挑戰(zhàn)的解決方案,SiC MOSFET具有更強的抗熱失控能力。碳化硅的導熱性更強,可實現(xiàn)更好的器件級散熱和穩(wěn)定的工作溫度。SiC MOSFET更適合汽車和工業(yè)應用等較溫暖的環(huán)境條件空間。此外,鑒于其導熱性,SiC MOSFET可以消除對額外冷卻系統(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的工作開關頻率比Si IGBT高得多,因此非常適合需要精確電機控制的應用。在自動化制造中,高開關頻率至關重要,其中高精度伺服電機用于工具臂控制、精密焊接和精確的物體放置。
此外,與Si IGBT電機驅(qū)動器系統(tǒng)相比,SiC MOSFET的一個顯著優(yōu)勢是它們能夠嵌入到電機組件中,電機控制器和逆變器嵌入與電機相同的外殼中。
通過將電機驅(qū)動器組件移動到電機的本地位置,可以大大減少驅(qū)動逆變器和電機驅(qū)動器之間的布線,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 根獨特的電纜來為機械臂的 <> 個電機(標記為“M”)供電,這可能相當于數(shù)百米昂貴且復雜的布線基礎設施。使用SiC MOSFET電機驅(qū)動系統(tǒng),電纜數(shù)量可以減少到兩根長電纜,連接到本地電機組件內(nèi)的每個電機驅(qū)動器.
圖2:機械臂的硅IGBT與碳化硅MOSFET系統(tǒng)控制比較
SiC MOSFETS與Si IGBT的缺點
然而,與Si IGBT相比,SiC MOSFET也有缺點。首先,SiC MOSFET仍然比Si IGBT更昂貴,因此可能不太適合對成本敏感的應用。雖然SiC MOSFET本身更昂貴,但與Si IGBT系統(tǒng)相比,某些應用可能會降低整個電機驅(qū)動器系統(tǒng)的價格(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)約可能需要在兩個應用系統(tǒng)之間進行復雜的設計和成本研究分析,但可以提高效率并節(jié)省成本。
SiC MOSFET的另一個缺點是,它們可能具有更復雜的柵極驅(qū)動要求,這可能使它們在系統(tǒng)中其他組件可能限制柵極驅(qū)動資源的應用中不如IGBT理想。
采用碳化硅MOSFET的改進逆變器技術(shù)
碳化硅MOSFET極大地改進了電機驅(qū)動系統(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逆變器具有幾個明顯的優(yōu)勢,使其成為電機驅(qū)動應用和各種其他應用非常有吸引力的解決方案。
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