【導讀】根據最保守的估計
，電機占全球工業用電量的 50% 以上，占全球用電量的 45%。哪na怕pa隻zhi是shi提ti高gao一yi點dian點dian工gong業ye電dian機ji驅qu動dong係xi統tong的de效xiao率lv，都dou將jiang極ji大da地di影ying響xiang全quan球qiu能neng源yuan消xiao耗hao，並bing減jian少shao對dui環huan境jing的de影ying響xiang。為wei了le解jie決jue全quan球qiu範fan圍wei內nei的de能neng源yuan消xiao耗hao問wen題ti，越yue來lai越yue嚴yan格ge的de能neng效xiao標biao準zhun不bu斷duan湧yong現xian，這zhe給gei電dian力li電dian子zi設she計ji人ren員yuan帶dai來lai了le新xin的de挑tiao戰zhan。

根據最保守的估計，電機占全球工業用電量的 50% 以上
，占全球用電量的 45%。哪na怕pa隻zhi是shi提ti高gao一yi點dian點dian工gong業ye電dian機ji驅qu動dong係xi統tong的de效xiao率lv，都dou將jiang極ji大da地di影ying響xiang全quan球qiu能neng源yuan消xiao耗hao，並bing減jian少shao對dui環huan境jing的de影ying響xiang。為wei了le解jie決jue全quan球qiu範fan圍wei內nei的de能neng源yuan消xiao耗hao問wen題ti，越yue來lai越yue嚴yan格ge的de能neng效xiao標biao準zhun不bu斷duan湧yong現xian，這zhe給gei電dian力li電dian子zi設she計ji人ren員yuan帶dai來lai了le新xin的de挑tiao戰zhan。

Wolfspeed 碳化矽（SiC）為提高工業電機驅動器的效率，提供了出色的解決方案
，隻需用碳化矽替換傳統 IGBT
，即可實現 2.4% 甚至更高的效率增益。利用碳化矽進行進一步的重新設計，可以實現驅動器和電機的集成，從而創建更小、更輕的嵌入式工業驅動器。

在本文中，我們將探討 Wolfspeed WolfPACK 功率模塊如何將損耗降低高達 50%
，同時實現更小
、更輕、熱穩定性更高的嵌入式 25 kW 三相工業低電壓電機驅動器。

采用碳化矽通過更小的散熱器實現更高的效率

典型的電機驅動係統由一個 AC-DC（有源前端）級和一個 DC-AC（逆變器）級所組成。在具有 45 kHz 開關頻率的六開關有源前端（AFE）的 25 kW 電機驅動係統中
，對比 20 kHz 矽開關作為基準測試時
，設計人員可以將前端級的效率提高 1.3%。當 Wolfspeed 30 A 額定功率模塊與 100 A 額定矽 IGBT 模塊（兩者均以 8 kHz 開關）進行保守的基準比較時，逆變器也可以實現類似的改進。這兩項變化共同帶來令人印象深刻的 2.6% 效率提升
，整個係統損耗減少 50%，並幫助集成式電機達到 IE4 效率標準，原始係統則僅達到 IE3 標準。

如上圖表明，在具有 0.8 L 散熱器的 25 kW 逆變器中，使用 Wolfspeed 碳化矽六管集成 WolfPACK 模塊與傳統矽 IGBT 模塊相比
，效率有所提高。隨著功率水平的增加
，50 A 和 100 A 額定矽 IGBT 的結溫升高，導致它們失效，而 Wolfspeed 32 A 碳化矽 MOSFET 則保持穩定，並遠低於失效溫度閾值。

值zhi得de注zhu意yi的de是shi，上shang述shu效xiao率lv提ti升sheng不bu僅jin出chu現xian在zai峰feng值zhi負fu載zai下xia，也ye出chu現xian在zai部bu分fen負fu載zai下xia。在zai某mou些xie部bu分fen負fu載zai下xia，效xiao率lv提ti升sheng更geng高gao，非fei常chang適shi合he這zhe些xie機ji器qi的de典dian型xing負fu載zai曲qu線xian。此ci外wai
，正zheng在zai測ce試shi的de碳tan化hua矽gui器qi件jian是shi額e定ding電dian流liu較jiao低di的de部bu件jian，最zui大da負fu載zai時shi的de結jie溫wen為wei 105℃，創造了重要的緩衝裕量以最大幅度地提高了允許的係統能力限製，而 50 A IGBT 模塊則明顯超出了限製，並且 100 A IGBT 則稍微超出最大的負載限製。這裏的“限製”被定義為 150℃，這個最大結溫是基於功率模塊應用係統中允許的常規要求。

為了確保係統可行
、正常運行和優化，我們使用不同的散熱器，將 IGBT 散熱器尺寸從 0.8 L 增大到 1.37 L
，並將碳化矽散熱器尺寸減小 61%
，確保提高其結溫以減少裕量。與 IGBT 相比，碳化矽解決方案的散熱器尺寸減小了77%
，盡管進行了這些修改，50 A IGBT 仍然明顯高於 150℃ 的溫度限製，但我們的 32 A 部件和 100 A IGBT 最終處於 129℃ 左右的相同結溫。另外值得注意的是，碳化矽逆變器的效率提高了 1.1%。總之，在三相供電的 25 kW 係統中使用更精簡且更優化的碳化矽散熱器
，整體效率提高了 2.4%，損耗減少了 600 W，同時最初是 IE3 標準的集成電機仍然可達到 IE4 效率標準。

無需額外成本即可將全係統損耗減少高達 50%

碳化矽在工業低電壓電機驅動的係統級呈現出巨大的價值，雖然碳化矽器件的前期成本可能超過傳統矽 IGBT，但更高的開關頻率和更低的損耗
，意味著對無源器件和散熱器的投資更少。

對於 25 kW 係統來說

，這種優化的係統可節省高達 605 W，考慮到每年運行 8,200 小時的不同負載曲線，根據截至 2023 年 11 月中國的電費計算，每年可節省 1,297.8 元人民幣

，並在未來 15 年積累節省約 19,000 元人民幣。用碳化矽器件取代 IGBT 的de前qian期qi成cheng本ben可ke能neng會hui更geng高gao，但dan當dang我wo們men考kao慮lv整zheng個ge係xi統tong成cheng本ben時shi，碳tan化hua矽gui的de較jiao高gao成cheng本ben可ke以yi通tong過guo無wu源yuan器qi件jian的de減jian少shao來lai抵di消xiao，並bing同tong時shi將jiang工gong業ye電dian機ji驅qu動dong端duan係xi統tong的de效xiao率lv提ti升sheng到dao新xin的de水shui平ping。

采用碳化矽的逆變器最值得關注的改進之一，則是顯著減少係統產生的熱量，使設計人員能夠使用更小的散熱器，並設計整體更小、更輕的工業電機驅動係統。

在圖3中
，我們進一步支持碳化矽如何在更高的開關頻率下實現卓越的性能。在這裏
，我們將開關頻率從 8 kHz 提高到 16 kHz，並使用比同類 IGBT 散熱器小 41% 的散熱器。借助 Wolfspeed 碳化矽 FM3 六管集成功率模塊，我們的效率仍然高於或接近 99%，並且在峰值負載時接近 150℃ 的溫度限製。對於 50 A 和 100 A IGBT，由於開關損耗增加，我們分別在 10 kW 和 15 kW 左右開始出現熱失效。為了使這些更高額定電流的 IGBT 與 Wolfspeed FM3 碳化矽模塊一樣有效地運行，設計人員需要使用更大的散熱器或更高額定電流的部件。有趣的是，碳化矽在 16 kHz 下的逆變器效率仍然高於 IGBT 在 8 kHz 下的逆變器效率。

結語

總之
，用碳化矽替代傳統的矽 IGBT

，可以在 25 kW 工業低電壓電機驅動係統中實現高達 2.6% dezhengtixiaolvtisheng。zaizhenggefuzaiquxianzhong，keyizaigenggaogonglvshuipingxiashixiangaoxiaolvgaijin，congerjieshengdaliangnengyuan。youyuwuyuanzujianhesanreqigengxiao，tanhuaguihaitigonglegenggaodegonglvmidu，bingdailaizhengtixitongchengbenhechicundeyouhua。ciwai，tanhuaguiqijiandegaojiewenkenengxing、改進的散熱，以及較低的損耗，使設計人員能夠構建更緊湊的係統，從而輕鬆集成驅動器和電機。

（作者：Pranjal Srivastava）

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