【干货分享】针对电机控制应用如何选择宽带隙器件？

在功率转换应用中，使用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料的宽带隙（WBG）半导体器件作为开关，能让开关性能更接近理想状态。相比硅MOSFET或IGBT，宽带隙器件的静态和动态损耗都更低。此外还有其他一些优势，如更高的工作结温和更好的热导率，至少碳化硅器件是这样的。

最重要的是碳化硅的导热性能要优于硅（Si）。在电机控制领域，上述好处特别有吸引力，不仅可以节约能源，还能让驱动电子器件减少成本、尺寸和重量。

碳化硅和氮化镓器件在常态传导损耗和击穿电压方面的极值更高，让它们具有相比硅器件更好的性能表现（参见下图）。但在电子领域，选择哪款器件，很难做到直截了当。随着销售额的增长，现有的IGBT和MOSFET技术也在不断得到提升。因此，我们应当先思考一下，改用宽带隙器件是否有意义，什么时候改用宽带隙器件比较好，然后再决定是选用碳化硅器件还是氮化镓器件。

IGBT在电机控制方面有很多优点，尤其是在大功率的情况下，它们近乎恒定的饱和电压能使传导损耗保持在较低的水平，并且大致上与传输到电机的功率成正比。不过，在开关切换过程中损耗的功率很高，尤其是在关断时。这是由于少数载流子重新组合时产生尾“电流”，但电机控制器的开关频率通常很低，因此平均下来损耗量还是很低的。事实上，在IGBT制造过程中，会考虑到尾电流和饱和电压的平衡。所以会针对10-20 kHz的典型电机脉冲宽度调制（PWM）频率，对器件损耗进行优化。并联一个二极管，可以处理反向导通或换向产生的感性负载，或用于双向功率转换。这个二极管通常是碳化硅材料的，而且采用了共封装。也许IGBT最大的优势在于其较低的成本和经过验证的稳健性（如果仅从它较大的晶圆带来更好的热容这个角度看）。

在相对较低的功率（几千瓦的功率）、1200V左右的条件下，电机控制通常会选用硅MOSFET，其切换边界的功率耗散相对较低。电机仍然决定着最佳PWM频率，在10 kHz左右时，各类器件在开关损耗方面的优势差距不大。一些高速、低电感电机还会受益于更高的PWM频率，因为它减少了电流纹波（current ripple），提高了响应能力。

传导损耗取决于MOSFET的导通电阻，并与电流的平方成正比。因此，随着功率的增加，MOSFET的性能很快就变得不可接受了。但是，与MOSFET电流平方成比例的损耗也有优势。对于一部分应用，它们的电机大部分时间在较低或中等功率范围内运行（相对于最大功率而言，如牵引驱动）。与在集电极-发射极（collector-emitter）上具有几乎恒定的饱和电压的IGBT相比，MOSFET在传导损耗方面具有优势。MOSFET可以通过并联减少电阻，而且它们确实有一个优势，那就是内置了体二极管，可用于换向和双向传导。另外，沟道本身也可以在栅极的控制下反向传导，而且损耗较低。

不同材料的开关器件对比

图1：硅、碳化硅和氮化镓器件的理论性能极限值对比

宽带隙器件的利与弊

那么，宽带隙器件有什么优缺点呢？图1显示，在管芯面积和额定电压相同的条件下，宽带隙器件的传导损耗可以低于硅MOSFET，这是因为宽带隙材料临界击穿电压更高，沟道可以更短。氮化镓更好的电子迁移率也降低了导通电阻。在中低功率下，电流器件的传导损耗也可以低于IGBT。例如，在50 A时，IGBT饱和电压1.5 V，导通时耗散75 W功率。导通电阻为30毫欧姆的硅MOSFET或氮化镓HEMT（高电子迁移率晶体管）单元也会耗散相同的功率，正如前面所述。如今，1200 V的器件很容易达到这一数字，比如额定电流为60A、裸片电阻为20毫欧姆的onsemi SiC MOSFET NTC020N120SC1。这些MOSFET可以通过并联获得更好的性能。但是它们的电阻是在25°C时测算的，而且电阻会随着温度的升高而增大。碳化硅 MOSFET和硅MOSFET一样，也有一个体二极管。它的速度非常快，反向恢复电荷很低，但比硅器件有着更高的正向压降，因此在栅极操控沟道反向导通之前，必须将其导通时间最小化到“死区时间”内。

与硅器件相比，氮化镓器件在导通电阻和传导损耗方面也有显著的提升。然而，目前它们仅适用于650 V左右的额定电压，只能采用平面结构设计，组成HEMT单元。为了获得更高的工作电压，人们正在研究垂直沟道结构，但当衬底为硅时（这是保持低成本的必要条件），技术突破会非常困难。在氮化镓横向HEMT单元中没有体二极管。反向传导确实会在沟道内发生，而反向恢复电荷实际上为零，但压降高且不稳定。压降取决于栅极阈值和使用的任何负栅极驱动电压。

栅极驱动对于硅MOSFET和氮化镓HEMT单元都非常关键，两者的阈值都很低。氮化镓器件需要小驱动电流实现导通状态，所需最高电压也只有7 V左右。碳化硅需要18 V左右才能达到完全饱和，接近其绝对最大值，约为22 V（请注意，实际值取决于具体的碳化硅器件）。因此，需要对栅极驱动合理布局，避免寄生效应产生的过电压应力，例如由于连接电感与栅极和杂散电容共振而产生的振铃。栅极和源极连接的电感也可能导致高di/dt的杂散和灾难性导通（见图2）。米勒电容对高dV/dt也可能造成类似的影响。在电机控制应用中，为了避免电机绕组应力和过大的电磁干扰，通常会故意降低边缘速率。从高di/dt通过电机机架接地的共模干扰电流也会导致机械磨损。

可以说，器件对布局和栅极驱动高度敏感是有问题的，但使用专门的栅极驱动器，可能让解决方案的设计变简单。随着集成电源模块的出现，这些困难已经得到解决。然而，外部影响难以预测，宽带隙器件对异常条件的抵御能力也值得考虑，例如电机控制中经常出现的负载过电压和短路。硅MOSFET具有额定雪崩功率，但可靠值仍在通过测试和现场数据进行确定。氮化镓HEMT单元没有设定雪崩功率，会在过电压下瞬间失灵。不过制造商设置的额定值与绝对最大值之间还留有很大的余地。宽带隙器件的短路能力评估仍在继续，要达到故障前几微秒内的合理数值。我们已经注意到，发生过电流事件时，器件会出现缓慢退化和阈值电压偏移，这在某些应用中可能是一个问题。

高di/dt的效果

图2：高di/dt导致瞬态栅极的峰间电压，且发生了共源电感 L。

随着技术的进步，宽带隙器件的价格也降到常规器件的价格区间。在电机控制应用的功率水平不断提高的情况下，可以考虑使用宽带隙器件，它比IGBT和硅MOSFET具有更低的传导和开关损耗。尽管单位成本与旧技术相比，还有一定差距，但宽带隙器件的节能因素很关键，此外，散热片尺寸、重量和成本的降低也能为系统带来额外的好处。碳化硅MOSFET具有更高的额定电压，能承受更高的电压和热应力，在新的电机驱动设计中处于领先地位。但对于低电压、低功率的应用，可以选用氮化镓器件，它可以实现更低的损耗。