為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境目標(biāo)並減少排放，世界各國政府紛紛推出立法，要求提高電動馬達(dá)的效率。

電動馬達(dá)及其驅(qū)動器消耗了我們當(dāng)今發(fā)電量的很大一部分。在美國，能源部（DoE）估計(jì)馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)消耗的電力占全國總發(fā)電量的一半以上。美國能源部也估計(jì)，電力成本約占馬達(dá)總生命週期成本的96%。因此，提高馬達(dá)和驅(qū)動器的效率可以在安裝的整個生命週期內(nèi)顯著節(jié)省成本。

為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境目標(biāo)並減少排放，世界各國政府紛紛推出立法，要求提高電動馬達(dá)的效率。隨著馬達(dá)效率的顯著提高，歐盟等一些實(shí)體已開始關(guān)注馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)的效率。由於減少了損耗和冷卻需求，碳化矽在將驅(qū)動器封裝到馬達(dá)外殼中的系統(tǒng)中具有顯著的優(yōu)勢。

圖一 : 為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境目標(biāo)並減少排放，世界各國政府紛紛推出立法，要求提高電動馬達(dá)的效率。

碳化矽的優(yōu)點(diǎn)

幸運(yùn)的是，已有一種解決方案可用：由碳化矽（SiC）製成的MOSFET。與矽IGBT相比，SiC MOSFET除了提供三倍低的熱阻和更有效的散熱之外，還具有更低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，尤其是在部分負(fù)載條件下。許多馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)在其使用壽命的大部分時間，其實(shí)都是在低於滿載的情況下作業(yè)，因此使用SiC時可以顯著提高效率。

除了提高逆變器效率外，SiC還可以改善驅(qū)動系統(tǒng)中的功率因數(shù)校正（PFC）電路。包含升壓PFC或完全雙向PFC的馬達(dá)驅(qū)動器可以透過提高開關(guān)頻率來減少濾波器磁性元件的尺寸，從而從SiC中受益。這種尺寸的減小可以使系統(tǒng)變得更小、更具成本效益。

靈活的評估平臺

Wolfspeed設(shè)計(jì)了SpeedVal Kit模組化評估平臺，以協(xié)助工程師進(jìn)行SiC裝置的評估流程。該平臺獨(dú)特的卡緣連接讓使用者能夠更換碳化矽裝置來測試不同的組件組合，同時保持與直流總線的低電感連接，這意味著需要數(shù)週時間的測試可以在幾分鐘內(nèi)完成。有四種類型的板可以互換：電源板、控制板、附件板和閘極驅(qū)動器，而這種簡單的定制有助於準(zhǔn)確地表示最終應(yīng)用。

該平臺專為三相評估而設(shè)計(jì)，但也提供半橋版本。除了兩個附加通道之外，三相板還提供了明確針對開發(fā)馬達(dá)驅(qū)動器的功能，例如用於閉環(huán)設(shè)計(jì)和速度控制的編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器回饋。還新增了控制器區(qū)域網(wǎng)路（CAN）通訊介面作為可選系統(tǒng)介面。

此外，該套件專為評估Wolfspeed的分離SiC MOSFET產(chǎn)品組合而設(shè)計(jì)，包括650V至1200V範(fàn)圍內(nèi)的產(chǎn)品，每種MOSFET變體和封裝選項(xiàng)都有自己的電路板。它可以在高達(dá)900V的直流母線電壓下作業(yè)，處理40A的輸入和輸出電流，並且能夠測試總功率超過 30kW 的馬達(dá)驅(qū)動和其他應(yīng)用。SpeedVal平臺供應(yīng)商提供的各種閘極驅(qū)動器板提供各種規(guī)格，使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)槠鋺?yīng)用選擇正確的閘極驅(qū)動器，並透過調(diào)整閘極參數(shù)及驗(yàn)證MOSFET是否在其安全操作區(qū)域內(nèi)作業(yè)來進(jìn)行最佳化。可以調(diào)整開關(guān)行為以獲得適合馬達(dá)的dv/dt。這是馬達(dá)驅(qū)動設(shè)計(jì)中的重要步驟，因?yàn)樵S多馬達(dá)都是為IGBT驅(qū)動而設(shè)計(jì)的，而使開關(guān)速度與馬達(dá)速度相匹配可確保系統(tǒng)可靠性。

SpeedVal套件的控制板包含一個微控制器，用於向閘極驅(qū)動器提供脈寬調(diào)變 （PWM）訊號。這使得工程師可以使用實(shí)際的應(yīng)用軟體進(jìn)行硬體評估。或者，可以使用函數(shù)產(chǎn)生器向閘極提供控制訊號。控制卡具有預(yù)先測試的韌體和以電腦為基礎(chǔ)的GUI，可讓控制器板執(zhí)行雙脈衝測試、運(yùn)行三相馬達(dá)以及執(zhí)行其他作業(yè)。控制卡和GUI還提供輸入和輸出電壓和電流讀數(shù)的系統(tǒng)級詳細(xì)資訊。

在評估過程中，工程師通常會先測試設(shè)計(jì)中的一相，每相皆代表一個單獨(dú)的電路。首先測試一相可以驗(yàn)證電壓調(diào)節(jié)、效率和熱效能等效能指標(biāo)。一旦單相效能達(dá)到預(yù)期，就可以添加剩餘的相。閘極驅(qū)動器最佳化和高功率測試過程成功完成後，設(shè)計(jì)人員就可以放心地繼續(xù)佈局電路，因?yàn)樗麄冎澜M件和設(shè)計(jì)將滿足所需的規(guī)格。

SiC只會越來越受歡迎

隨著工業(yè)應(yīng)用和各種交通方式的電氣化，碳化矽產(chǎn)品將因其更高的效率和熱效能而受到歡迎，而這是這些應(yīng)用的關(guān)鍵要求。馬達(dá)驅(qū)動只是SiC固有優(yōu)勢能夠帶來回報的領(lǐng)域之一。其他高功率應(yīng)用（例如電動車充電和再生能源發(fā)電）的設(shè)計(jì)者，也在尋求創(chuàng)造更有效率的設(shè)計(jì)並降低能源成本。SpeedVal Kit模組化評估平臺就足夠靈活，可以評估這些以及許多其他高功率三相用例（圖二）。

圖二 : SpeedVal 套件模組化評估平臺主機(jī)具備一系列具有獨(dú)特卡片邊緣連接的控制卡和閘極驅(qū)動器，使設(shè)計(jì)人員能夠透過快速改變碳化矽元件並評估所需的閘極驅(qū)動器來節(jié)省大量開發(fā)時間。

結(jié)論

SpeedVal套件模組化評估平臺可快速評估SiC MOSFET和閘極驅(qū)動電路的電氣和熱效能。此外，它還可以對所選裝置進(jìn)行調(diào)整以滿足目標(biāo)應(yīng)用的特定需求。 Wolfspeed的產(chǎn)品不僅限於SpeedVal平臺，還包括SpeedFit設(shè)計(jì)模擬器軟體，可協(xié)助使用者選擇合適的產(chǎn)品並完善系統(tǒng)規(guī)格。

由於靈活性和效率是SiC評估的關(guān)鍵，Wolfspeed提供一系列參考設(shè)計(jì)和全面的文檔，包括避免寄生干擾的PCB佈局指南，進(jìn)一步幫助設(shè)計(jì)人員完成開發(fā)過程。