SiC MOSFET 与 Si IGBT：SiC MOSFET 优势
By Omara Aziz
MOSFET 与 IGBT：电机驱动控制的未来
什么是Si IGBT和SiC MOSFET？
为什么硅IGBT和碳化硅MOSFET在电机驱动应用中不可或缺
电动机在现代技术中无处不在，通常依靠电池系统作为其电源。例如，电动车辆利用庞大电池阵列系统为车辆提供直流电，从而通过交流电动机产生物理运动。对这些交流电动机的绝对控制对于车辆的性能和效率以及车内人员的安全至关重要。然而，该动力系统依赖于逆变器将电池的直流电转换为交流信号，以供电动机使用来产生运动。
这些逆变器精确控制马达的速度、扭矩、功率和效率，并实现再生制动功能。最终，逆变器对动力系统的价值与马达一样重要。与所有功率应用设备一样，逆变器在功能和设计要求上可能存在巨大差异，对于从直流电力到交流电机系统的整体系统性能至关重要。
现代直流到交流电机驱动应用中使用两种类型的逆变器：硅IGBT和碳化硅MOSFET。历史上，硅IGBT最为常见，但由于其多种性能优势和不断下降的成本，SiC MOSFET在受欢迎程度上大幅增加。当SiC MOSFET首次进入市场时，它们对大多数电机驱动应用来说成本过高。然而，随着这种优越技术的采用增加，规模化生产大大降低了SiC MOSFET的成本。
Si IGBT 相较于 SiC MOSFET 的优缺点
由于硅 IGBT 具有高电流处理能力、快速开关速度和低成本，它们历史上在从直流到交流的电机驱动应用中被广泛使用。最重要的是，硅 IGBT 具备高电压额定值，同时具备低压降、导通损耗和热阻，使其成为高功率电机驱动应用（如制造系统）的明显选择。然而，硅 IGBT 的一个显著缺点是它们对热失控极为敏感。热失控是指设备的温度不受控制地升高，导致设备故障并最终失效。在如电动车辆或制造业等高电流、电压及操作条件常见的电机驱动应用中，热失控可能是重大的设计风险。
作为这一设计挑战的解决方案，SiC MOSFET 更能抵御热失控。碳化硅的热导率更高，可实现更好的器件级散热和稳定的操作温度。SiC MOSFET 更适合温暖的环境条件下使用，如汽车和工业应用。此外，由于其热导率优势，SiC MOSFET 可以消除额外冷却系统的需求，可能减少整体系统尺寸并降低系统成本。
由于 SiC MOSFET 的开关频率远高于硅 IGBT，因此它们非常适合需要精确电机控制的应用。高开关频率在自动化制造中至关重要，因为高精度的伺服电机用于工具臂控制、精密焊接和精确物体放置。
此外，SiC MOSFET 相对于硅 IGBT 电机驱动系统的一个显著优势在于其能够嵌入到电机组件中，电机控制器和逆变器可以嵌入到与电机相同的外壳内。
通过将电机驱动组件移动到电机的本地位置，驱动逆变器与电机驱动器之间的电缆可以大幅减少，实现显著的节省。在图片 B 的示例中，一个传统的硅 IGBT 电源柜可能需要 21 根独特电缆来为机器人手臂的七个电机（标记为‘M’）供电，这可能需要数百米昂贵且复杂的电缆基础设施。使用 SiC MOSFET 电机驱动系统，电缆数量可以减少至两根长电缆，连接到本地电机组件中的每个电机驱动器
图片 2：硅IGBT与碳化硅MOSFET系统控制机器人手臂的比较。
SiC MOSFET 与 Si IGBT 的缺点
然而，SiC MOSFET 相较于 Si IGBT 也有一些缺点。首先，SiC MOSFET 仍然比 Si IGBT 更昂贵，这可能导致它们在对成本敏感的应用中不太合适。虽然 SiC MOSFET 本身更贵，但在某些应用中可能会因为减少布线、被动元件、热管理等而导致整体电机驱动系统的价格下降，与使用 Si IGBT 的系统相比可能整体更便宜。这种成本节省可能需要对两种应用系统进行详细的设计和成本研究分析，但这可能 带来效率提升和成本节约。
SiC MOSFET 的另一个缺点是它们可能需要更复杂的门驱动要求，这可能使它们在系统中其他组件可能限制门驱动资源的应用中不如 IGBT 理想。
改进的逆变器技术与碳化硅MOSFET
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