什么是硅IGBT和碳化硅MOSFET?

Si IGBT是硅絕緣柵雙極晶體管的簡寫。碳化硅MOSFET是碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管的縮寫。

Si IGBT是電流控制器件，通過施加到晶體管柵極端子的電流切換，而MOSFET則由施加到柵極端子的電壓進行電壓控制。

Si IGBT和SiC MOSFET之間的主要區(qū)別在于它們可以處理的電流類型。一般來說，MOSFET更適合高頻開關應用，而IGBT更適合高功率應用。

為什么硅IGBT和碳化硅MOSFET在電機驅動應用中至關重要

電動機在現(xiàn)代技術中無處不在，通常依靠電池系統(tǒng)作為動力源。例如，電動汽車利用大型電池陣列系統(tǒng)為車輛提供直流電源，從而通過交流電動機產(chǎn)生物理運動。對這些交流電機的絕對控制對于車輛的性能和效率以及車內人員的安全至關重要。然而，這種動力總成系統(tǒng)依靠逆變器將來自電池的直流電轉換為交流信號，電機可以使用該信號產(chǎn)生運動。

這些逆變器精確控制電機的速度、扭矩、功率和效率，并實現(xiàn)再生制動能力。最終，逆變器對動力總成系統(tǒng)的價值與電機一樣重要。與電源應用中的所有設備一樣，逆變器的功能和設計要求可能有很大差異，并且對于直流電源到交流電機系統(tǒng)的整體系統(tǒng)性能至關重要。

現(xiàn)代直流到交流電機驅動應用中使用兩種類型的逆變器：硅IGBT和碳化硅MOSFET。從歷史上看，Si IGBT是最常見的，但SiC MOSFET因其各種性能優(yōu)勢和不斷降低成本而倍增。當SiC MOSFET首次進入市場時，對于大多數(shù)電機驅動應用來說，它們的成本普遍過高。然而，隨著這種卓越技術的采用增加，規(guī)?；圃齑蟠蠼档土薙iC MOSFET的成本。

MOSFET與IGBT：電機驅動控制的未來

機電設備——開關、螺線管、編碼器、發(fā)電機和電動機——是從數(shù)字世界到物理世界的基本橋梁。所有這些設備的魔力在于它們能夠將電信號轉換為機械動作。

隨著自動化制造、電動汽車、先進建筑系統(tǒng)和智能家電等行業(yè)的發(fā)展，對這些機電設備提高控制、效率和功能的需求也在增長。本文探討了碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)的突破如何重新定義歷史上使用硅IGBT(Si IGBT)進行功率反轉的電動機的功能。這項創(chuàng)新擴展了幾乎每個行業(yè)的電機驅動應用功能。

什么是硅IGBT和碳化硅MOSFET?

Si IGBT是硅絕緣柵雙極晶體管的簡寫。碳化硅MOSFET是碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管的縮寫。

Si IGBT是電流控制器件，通過施加到晶體管柵極端子的電流切換，而MOSFET則由施加到柵極端子的電壓進行電壓控制。

Si IGBT和SiC MOSFET之間的主要區(qū)別在于它們可以處理的電流類型。一般來說，MOSFET更適合高頻開關應用，而IGBT更適合高功率應用。

為什么硅IGBT和碳化硅MOSFET在電機驅動應用中至關重要?

電動機在現(xiàn)代技術中無處不在，通常依靠電池系統(tǒng)作為動力源。例如，電動汽車利用大型電池陣列系統(tǒng)為車輛提供直流電源，從而通過交流電動機產(chǎn)生物理運動。對這些交流電機的絕對控制對于車輛的性能和效率以及車內人員的安全至關重要。然而，這種動力總成系統(tǒng)依靠逆變器將來自電池的直流電轉換為交流信號，電機可以使用該信號產(chǎn)生運動。

這些逆變器精確控制電機的速度、扭矩、功率和效率，并實現(xiàn)再生制動能力。最終，逆變器對動力總成系統(tǒng)的價值與電機一樣重要。與電源應用中的所有設備一樣，逆變器的功能和設計要求可能有很大差異，并且對于直流電源到交流電機系統(tǒng)的整體系統(tǒng)性能至關重要。

現(xiàn)代直流到交流電機驅動應用中使用兩種類型的逆變器：硅IGBT和碳化硅MOSFET。從歷史上看，Si IGBT是最常見的，但SiC MOSFET因其各種性能優(yōu)勢和不斷降低成本而倍增。當SiC MOSFET首次進入市場時，對于大多數(shù)電機驅動應用來說，它們的成本普遍過高。然而，隨著這種卓越技術的采用增加，規(guī)模化制造大大降低了SiC MOSFET的成本。

硅IGBT與碳化硅MOSFET的優(yōu)缺點

Si IGBT因其高電流處理能力、快速開關速度和低成本而歷來用于直流至交流電機驅動應用。最重要的是，Si IGBT具有高額定電壓、低壓降、電導損耗和熱阻，使其成為制造系統(tǒng)等大功率電機驅動應用的不二之選。然而，Si IGBT的一個相當大的缺點是它們極易受到熱失控的影響。當設備溫度不受控制地上升時，就會發(fā)生熱失控，導致設備出現(xiàn)故障并最終發(fā)生故障。在高電流、電壓和工作條件常見的電機驅動應用中，例如電動汽車或制造業(yè)，熱失控可能是一個重大的設計風險。

作為這一設計挑戰(zhàn)的解決方案，SiC MOSFET更能抵抗熱失控。碳化硅的導熱性更高，可實現(xiàn)更好的器件級散熱和穩(wěn)定的工作溫度。碳化硅MOSFET更適合較溫暖的環(huán)境條件空間，如汽車和工業(yè)應用。此外，鑒于其導熱性，SiC MOSFET可以消除對額外冷卻系統(tǒng)的需求，從而可能減小整體系統(tǒng)尺寸并潛在地降低系統(tǒng)成本。

由于SiC MOSFET的工作開關頻率遠高于Si IGBT，因此非常適合需要精確電機控制的應用。高開關頻率在自動化制造中至關重要，其中高精度伺服電機用于工具臂控制、精密焊接和精確物體放置。

此外，與Si IGBT電機驅動器系統(tǒng)相比，SiC MOSFET的一個顯著優(yōu)勢是它們能夠嵌入電機組件中，電機控制器和逆變器嵌入與電機相同的外殼中。

通過將電機驅動器組件移動到電機的本地位置，可以大大減少驅動逆變器和電機驅動器之間的布線，從而節(jié)省大量成本。在圖B的示例中，傳統(tǒng)的Si IGBT電源柜可能需要21根獨特的電纜來為機械臂的七個電機(標記為“M”)供電，這可能相當于數(shù)百米昂貴而復雜的布線基礎設施。使用SiC MOSFET電機驅動系統(tǒng)，電纜數(shù)量可以減少到兩根長電纜，連接到本地電機組件內每個電機驅動器

碳化硅MOSFET與硅IGBT的缺點!

然而，與硅IGBT相比，SiC MOSFET也有缺點。首先，SiC MOSFET仍然比Si IGBT更昂貴，因此可能不太適合成本敏感型應用。雖然SiC MOSFET本身更昂貴，但與Si IGBT系統(tǒng)相比，某些應用可能會降低整個電機驅動器系統(tǒng)的價格(通過減少布線、無源元件、熱管理等)，并且總體上可能更便宜。這種成本節(jié)約可能需要在兩個應用系統(tǒng)之間進行復雜的設計和成本研究分析，但可以提高效率并節(jié)省成本。

SiC MOSFET的另一個缺點是，它們可能具有更復雜的柵極驅動要求，這可能使其在系統(tǒng)中其他組件可能限制柵極驅動資源的應用中不如IGBT理想。

使用碳化硅MOSFET改進的逆變器技術

碳化硅MOSFET極大地改進了電機驅動系統(tǒng)的逆變器技術。與所有類型的元件一樣，在某些特定應用中，IGBT可能仍然更適合。然而，與Si IGBT相比，SiC MOSFET逆變器具有幾個明顯的優(yōu)勢，使其成為電機驅動應用和各種其他應用非常有吸引力的解決方案。

先進光半導體由南方先進聯(lián)合日本歸國華僑楊振林博士團隊合資成立，以南方先進為主要投資方、楊博士團隊為技術核心的一家專業(yè)從事光電器件、光耦合器、光耦繼電器等光電集成電路以及光電驅動等產(chǎn)品，研發(fā)團隊涵蓋設計、制造、銷售和服務的高新技術企業(yè)，先進光半導體擁有先進的光電器件全自動生產(chǎn)線，具有年產(chǎn)8000萬只光電光耦器件的生產(chǎn)能力。現(xiàn)階段先進光半導體的光耦繼電器、光耦合器等主要產(chǎn)品用于：蓄電系統(tǒng).智能電表.自動檢測設備.電信設備.測量儀器.醫(yī)療設備.通信設備.PC端.安防監(jiān)控.O/A設備.PLC控制器.I/O控制板等，依托于光半導體綜合的設計技術和芯片制造技術優(yōu)勢，先進光半導體期望在有廣闊發(fā)展前景的光電控制領域深耕，逐步提升產(chǎn)品的技術附加值，擴充技術含量更高的產(chǎn)品線。