Wolfspeed的功率模块如何变革三相工业低电压电机驱动器

Wolfspeed的功率模块如何变革三相工业低电压电机驱动器
根据最保守的估计，电机占全球工业用电量的50%以上，占全球用电量的45%。哪怕只是提高一点点工业电机驱动系统的效率，都将极大地影响全球能源消耗，并减少对环境的影响。为了解决全球范围内的能源消耗问题，越来越严格的能效标准不断涌现，这给电力电子设计人员带来了新的挑战。
Wolfspeed的碳化硅（Silicon Carbide, SiC）为提高工业电机驱动器的效率，提供了出色的解决方案，只需用碳化硅替换传统IGBT，即可实现2.4%甚至更高的效率增益。利用碳化硅进行进一步的重新设计，可以实现驱动器和电机的集成，从而创建更小、更轻的嵌入式工业驱动器。
在本文中，我们将探讨Wolfspeed的WolfPACK 功率模块如何将损耗降低高达50%，同时实现更小、更轻、热稳定性更高的嵌入式25 kW三相工业低电压电机驱动器。
使用SiC通过更小的散热器
实现更高的效率
典型的电机驱动系统由一个AC-DC（有源前端）级和一个DC-AC（逆变器）级所组成。在具有45 kHz开关频率的六开关有源前端（AFE）的25kW电机驱动系统中，对比20kHz硅开关作为基准测试时，设计人员可以将前端级的效率提高1.3%。当Wolfspeed的30 A额定功率模块与100 A额定硅-IGBT模块（两者均以8 kHz开关）进行保守的基准比较时，逆变器也可以实现类似的改进。这两项变化共同带来令人印象深刻的2.6%效率提升，整个系统损耗减少50%，并帮助集成式电机达到IE4效率标准，原始系统则仅达到IE3标准。
采用碳化硅的逆变器最值得关注的改进之一，则是显着减少系统产生的热量，使设计人员能够使用更小的散热器，并设计整体更小、更轻的工业电机驱动系统。

图 1：25 kW逆变器，Fsw = 8 kHz，SiC MOSFET,散热器减小 77%：0.31 L（1.6℃/W）与 1.37 L（0.73℃/W）,如上图表明，在具有0.8 L散热器的25 kW逆变器中，使用Wolfspeed的碳化硅六管集成WolfPACK 模块与传统硅IGBT模块相比，效率有所提高。随着功率水平的增加，50 A和100 A额定硅IGBT的结温升高，导致它们失效，而Wolfspeed的32 A碳化硅MOSFET则保持稳定，并远低于失效温度阈值。
值得注意的是，上述效率提升不仅出现在峰值负载下，也出现在部分负载下。在某些部分负载下，效率提升更高，非常适合这些机器的典型负载曲线。此外，正在测试的碳化硅器件是额定电流较低的部件，最大负载时的结温为105℃，创造了重要的缓冲裕量以最大幅度地提高了允许的系统能力限制，而50 A IGBT模块则明显超出了限制，并且100 A IGBT则稍微超出最大的负载限制。这里的“限制”被定义为150℃，这个最大结温是基于功率模块应用系统中允许的常规要求。

图 2：25 kW逆变器，Fsw = 8 kHz，较大的硅IGBT散热器：1.37 L（0.7℃/W），较小的SiC散热器0.8 L（0.99℃/W）,为了确保系统可行、正常运行和优化，我们使用不同的散热器，将IGBT散热器尺寸从0.8 L增大到1.37 L，并将碳化硅散热器尺寸减小61%，确保提高其结温以减少裕量。与IGBT相比，碳化硅解决方案的散热器尺寸减小了77%，尽管进行了这些修改，50 A IGBT仍然明显高于150℃的温度限制，但我们的32 A部件和100 A IGBT最终处于129℃左右的相同结温。另外值得注意的是，碳化硅逆变器的效率提高了1.1%。总之，在三相供电的25 kW系统中使用更精简且更优化的碳化硅散热器，整体效率提高了2.4%，损耗减少了600 W，同时最初是IE3标准的集成电机仍然可达到IE4效率标准。
无需额外成本即可将全系统损耗
减少高达50%
碳化硅在工业低电压电机驱动的系统级呈现出巨大的价值，虽然碳化硅器件的前期成本可能超过传统硅IGBT，但更高的开关频率和更低的损耗，意味着对无源器件和散热器的投资更少。
对于25 kW系统来说，这种优化的系统可节省高达605 W，考虑到每年运行8200小时的不同负载曲线，根据截至2023年11月中国的电费计算，每年可节省1,297.8人民币，并在未来15年积累节省约19,000人民币。用碳化硅器件取代IGBT的前期成本可能会更高，但当我们考虑整个系统成本时，碳化硅的较高成本可以通过无源器件的减少来抵消，并同时将工业电机驱动端系统的效率提升到新的水平。

图 3：25 kW逆变器，FSW = 16 kHz，SiC MOSFET,散热器减小41%：0.80 L（0.99℃/W）对比1.37 L（0.73℃/W）,在图3中，我们进一步支持碳化硅如何在更高的开关频率下实现卓越的性能。在这里，我们将开关频率从8 kHz提高到16 kHz，并使用比同类IGBT散热器小41%的散热器。借助Wolfspeed的碳化硅FM3六管集成功率模块，我们的效率仍然高于或接近99%，并且在峰值负载时接近150℃的温度限制。对于50 A和100 A IGBT，由于开关损耗增加，我们分别在10 kW和15 kW左右开始出现热失效。为了使这些更高额定电流的IGBT与Wolfspeed的FM3碳化硅模块一样有效地运行，设计人员需要使用更大的散热器或更高额定电流的部件。有趣的是，碳化硅在16kHz下的逆变器效率仍然高于IGBT在8kHz下的逆变器效率。
结语
总之，用碳化硅替代传统的硅IGBT，可以在25 kW工业低电压电机驱动系统中实现高达2.6%的整体效率提升。在整个负载曲线中，可以在更高功率水平下实现高效率改进，从而节省大量能源。由于无源组件和散热器更小，碳化硅还提供了更高的功率密度，并带来整体系统成本和尺寸的优化。此外，SiC器件的高结温可能性、改进的散热，以及较低的损耗，使设计人员能够构建更紧凑的系统，从而轻松集成驱动器和电机。