工業電源應用基于強大的電動機，可以在風扇、泵、伺服驅動器、壓縮機、縫紉機和冰箱中找到。三相電動機是最常見的電動機類型，它由適當的基于逆變器的驅動器驅動。它可以吸收一個行業高達 60% 的整個電力需求，因此對于驅動器提供高效率水平至關重要。

在工業電源應用中，電子設計人員可以通過使用基于碳化硅的晶體管 (SiC MOSFET) 獲得巨大的好處，與傳統的基于硅的解決方案（例如IGBT（絕緣柵雙極晶體管））相比，它提供了顯著的效率改進、更小的散熱器尺寸和更低的成本晶體管。SiC 技術允許獲得非常低的單位面積RDS ON、高開關頻率和在體二極管關閉后發生的反向恢復階段期間的能量損失可以忽略不計。

變頻驅動

最常見的基于三相逆變器的驅動電路如圖1所示。 這種在工業級廣泛使用的拓撲是基于兩電平三相逆變器，主要使用分立或功率模塊IGBT，具體取決于功率要求，加上續流二極管。六個功率晶體管連接在三個半橋臂中，為電機或其他負載產生三相交流電。每個半橋都被迫在歐姆電感負載（電機）上以特定頻率切換，以便能夠控制其速度、位置和電磁轉矩。IGBT 晶體管是少數載流子器件，具有高輸入阻抗和大雙極載流能力。在電機控制應用中，由于感性負載特性，通常需要添加反并聯或續流二極管以獲得功能齊全的開關，盡管在某些特殊情況下不需要續流二極管。與功率晶體管并聯放置的續流二極管連接在集電極和發射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。盡管在某些特殊情況下不需要續流二極管。與功率晶體管并聯放置的續流二極管連接在集電極和發射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。盡管在某些特殊情況下不需要續流二極管。與功率晶體管并聯放置的續流二極管連接在集電極和發射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。續流二極管連接在集電極和發射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。續流二極管連接在集電極和發射極端之間以傳導反向電流。這些二極管是必需的，因為在關斷期間，如果沒有提供合適的路徑，感性負載電流會產生高電壓峰值。反過來，這可能會損壞電源開關。由于其特殊的結構，IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。IGBT 晶體管不像 MOSFET 那樣具有寄生二極管。續流二極管可以單片集成或作為分立二極管添加到 IGBT 封裝外部。

圖 1：基于兩級三相逆變器的驅動器（來源：ST）

下側續流二極管反向恢復時，其電流方向與上側開關相同，反之亦然；因此，導通換向會出現過沖，產生額外的功率損耗，影響整體效率。由于反向恢復電流和反向時間的值要低得多，碳化硅 MOSFET 可以大幅降低恢復損耗，與與硅基 IGBT 共同封裝的續流二極管相比，效率顯著提高。

開啟/關閉換向要求

在工業驅動中，必須特別注意開啟和關閉換向速度。事實上，SiC MOSFET dV/dt 可以達到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當，高換向 dv/dt 會增加長電機電纜上的電壓尖峰，并可能產生共模和差模寄生電流，隨著時間的推移，會導致繞組絕緣和電機軸承失效。盡管更快的開啟/關閉提高了效率，但出于上述可靠性原因，工業驅動器中的典型 dv/dt 通常設置為 5 到 10 V/ns。

ST對兩個相似的1.2kV功率晶體管SiC MOSFET和Si基IGBT進行了比較，結果證明，與SiC MOSFET器件相比，SiC MOSFET器件在開通和關斷時都可以保證更少的能量損失。 Si IGBT，即使在 5 V/ns 的強加條件下。

靜態和動態特性

使用相同類型的晶體管，ST 進行的分析還可以比較靜態和動態操作中的特性（或電壓-電流）曲線。圖 2 所示的靜態特性曲線是在結溫 T J = 125°C 下獲得的。從兩條曲線之間的比較來看，碳化硅解決方案提供的顯著優勢在整個電壓和電流范圍內都體現出來，這主要歸功于其線性正向壓降。相反，IGBT 晶體管表現出非線性電壓降 (V CE(sat) )，其本身取決于集電極電流。

在大約 40A 的電流下達到盈虧平衡點：低于此值，SiC MOSFET 的傳導損耗低于 IGBT。發生這種情況是因為 SiC MOSFET 利用其線性靜態特性帶來的靜態損耗。而且，即使 SiC MOSFET 需要 V GS =18V 才能實現出色的 R DS(ON)，它也可以提供比硅基 IGBT 更好的靜態性能，從而顯著降低傳導損耗。

圖 2：SiC 和 IGBT MOSFET VI 曲線比較（來源：ST）

還使用雙脈沖測試從動態角度對這兩種設備進行了分析。該特定測試的目的是在開啟和關閉條件下提供動態損耗測量。獲得的結果表明，與 Si IGBT 相比，即使在 5 V/ns 條件下，SiC MOSFET 在所分析的整個電流范圍內都顯示出顯著較低的開啟和關閉能量（約 -50%）。在 50V/ns 時，碳化硅 MOSFET 可進一步降低損耗。IGBT 無法達到那么高的換向速度。

電熱模擬

為了在典型的工業驅動應用中比較 SiC MOSFET 和 Si IGBT，電熱模擬是更好的選擇。關于 ST 分析，該模擬是使用他們的專有軟件工具 PowerStudio 進行的。該軟件提供全面的功率和熱分析，能夠預測器件性能、縮短解決方案設計并節省時間和資源。此外，該工具有助于選擇適合應用程序任務配置文件的適當設備。ST PowerStudio 基于非常精確的內置電氣和熱模型，適用于每個設備，并且由于迭代計算，考慮到自熱效應，它提供了對功率損耗以及結點和外殼溫度的高度準確的估計. 使用 PowerStudio 進行的 ST 電熱仿真證明，使用 SiC MOSFET 可以實現更高的能源效率，從而降低任何散熱器的熱要求，并有利于減輕重量、空間和成本。與 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 解決方案在靜態和動態條件下以及開關和二極管方面的總功率損耗要低得多。

　　審核編輯：湯梓紅