提升变速驱动器效率

本文Muthuraman Palaniappan就利用碳化硅功率半导体模块提升变速驱动器效率进行了探讨。

目前的变速驱动技术能与任何驱动电机同步。随着技术不断进步,今天,变速驱动器已能满足所有应用和各种额定功率,变速驱动器(VSD)无法有效适用的电机应用十分少见。

上世纪70年代,变速驱动器通过取代笨重又需要维护的DC电机系统,开始进入大众视野。随后40年间,进步的VSD技术,优异的节能能力与功能,适用于日渐复杂的应用,价格低廉等优点使得任何电机应用都能选择变速驱动器。

电机控制技术的发展。

随着变速驱动器的问世,感应电机得到了广泛采用,维护成本降低,且最终使得DC电机制造商数量减少,只剩下为数不多的几家供应商为置换市场供货。

为遏制全球变暖,进一步减少CO2等温室气体刻不容缓。使用电子电力技术减少温室气体排放最大的优势在于电力变得更为高效。变速驱动器不断提升的效率对此功不可没。

功率器件的重要性

功率器件是变速驱动器中主要采用的元件,因此对能实现更高效率的低功耗器件的需求与日俱增。富士电机1953年引进硒整流器;1959年引进硅二极管;1961年引进硅控整流器;1975年引进分散BJT(双极性晶体管);1980年引进BJT模块;1986引进功率场效应管;1987年引进分散IGBT;1988年引进IGBT模块,1989年引进BJY-IPM;1993年引进IGBT IPM。

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是变速驱动器中使用的功率器件,(Si) IGBT和续流二极管(FWD)芯片的使用也很普遍。由于固有材料特性,硅半导体器件的性能几乎达到理论极限,无法进一步突破从而大幅降低损耗。鉴于如此,展现出更优材料特性的宽禁带(WBG)半导体前景喜人。

随着WBG半导体,即碳化硅半导体的发展,相比硅器件,它获得了更高的介质击穿电压,更低功耗,更高的开关及温度操作性能。

理论上,相同击穿电压下,SiC的导通电阻能比Si器件更低。因此,SiC无需是双极器件,而需在高压下降低导通电阻的Si器件必须为双极。单极器件用于减少转换能量非常理想,使用SiC单极器件能同时实现低导通电阻和低转换能量。

混合模块包括硅绝缘栅双极晶体管(Si-IGBT)和碳化硅肖特基二极管(Sic-SBD),它们用于高效变流器应用中,有助于节能。混合模块的静态特性使其展现出更佳的性能,能在极少不平衡电流下形成并联。

此外,混合模块的泄漏电流特性在高接温时更佳。混合模块的反向恢复和开启特性使得极低的反向恢复峰值电流成为可能。开启峰值电流降低减少了开启能量,而混合模块漂移层电阻更低,因此闭合冲击电压能保持较低,闭合时的能量减小。

用于高效变流器应用的SiC-SBD芯片。

因此变速驱动器利用混合模块比利用之前的器件更能减少功率损耗。由于降损率随载频增大而增加,故载频越高的作业,混合模块越高效。

SiC和氮化镓(GaN)等WGP材料作为下一代功率半导体器件材料而开始受到广泛关注。同时,新兴封装技术也加入了对SiC器件的优势的能考虑,比如,它们小巧,稳定性高而热阻低,那么采用铜针连接件、烧结银接头和环氧树脂模具结构代替铝线焊接、焊点和硅胶封装结构即能实现高温下运作的目的。

封装结构

富士电机已研发出一种封装结构,并已应用于所有SiC功率模块上。该结构的设计充分利用了SiC器件的特性,这些特性包括实现低功率损耗,高频和高温下运作等。它代替了铝线焊接结构,采用带有Cu针的印刷电路板。从而有效的将多个SiC-MOSFET 和 SiC-SBD芯片全部连接一体。这种优化结构的主要特征是:1.小巧且功率密度高(封装减少50%)2.耐热度高(最高运作温度为200°C)3.稳定性强(功率循环能力)4.电感值低(仅为先前Si模块的25%)。

SiC-SBD混合功率集成模块(PIM)实现了将最新V系列IGBT和SiC肖特基二极管进行混装。系列模块额定电压和电流有:1200V: 35A, 50A;600V: 50A, 75A, 100A。采用该IGBT模块,V系列能将产生的损耗降低约25%。整计划进一步扩大产品阵容,提升更高的性能,并开发2合1和6合1的SiC-SBD混合模块,实现大幅的损耗减少。

实现高效

通用变速驱动器(MEGA GX-Sic 系列)中使用SiC-SBD器件后,相比使用传统器件,VSD产生的损耗降低了25%。本系列包括额定值为5.5 kW, 7.5 kW 和11 kW 的3相200V和3相400V驱动能力。

相比传统器件,使用SiC-SBD器件能减少产生损耗的25%。

同样采用SiC模块,且以实现微型化并提高效率为目的,其成果就是太阳能发电功率调节器。配有这些器件的封装的开发充分利用SiC新型结构优势,能在高电流密度和高温下运作。

SiC器件研发的成就在于,利用先进的T中点钳位型(AT-NPC)3电平电路,使光伏发电中带SiC模块的功率调节器实现高达99%的转换效率。相较之前版本,该产品的体积缩小了20%。

通过率先在电力电子器件领域进行技术革新,各大公司可为市场带来高能效又小巧的产品,并为创造有责任感和可持续的社会做出贡献。

Muthuraman Palaniappan是富士电机亚太地区战略合作计划部门总监&总经理

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