【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%。napazhishitigaoyidiandiangongyedianjiqudongxitongdexiaolv
，doujiangjidadiyingxiangquanqiunengyuanxiaohao
，bingjianshaoduihuanjingdeyingxiang。weilejiejuequanqiufanweineidenengyuanxiaohaowenti，yuelaiyueyangedenengxiaobiaozhunbuduanyongxian，zhegeidianlidianzishejirenyuandailailexindetiaozhan。

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%。napazhishitigaoyidiandiangongyedianjiqudongxitongdexiaolv
，doujiangjidadiyingxiangquanqiunengyuanxiaohao，bingjianshaoduihuanjingdeyingxiang。weilejiejuequanqiufanweineidenengyuanxiaohaowenti，yuelaiyueyangedenengxiaobiaozhunbuduanyongxian
，zhegeidianlidianzishejirenyuandailailexindetiaozhan。

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 deqianqichengbenkenenghuigenggao，dandangwomenkaolvzhenggexitongchengbenshi，tanhuaguidejiaogaochengbenkeyitongguowuyuanqijiandejianshaolaidixiao
，bingtongshijianggongyedianjiqudongduanxitongdexiaolvtishengdaoxindeshuiping。

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% 的(de)整(zheng)體(ti)效(xiao)率(lv)提(ti)升(sheng)。在(zai)整(zheng)個(ge)負(fu)載(zai)曲(qu)線(xian)中(zhong)，可(ke)以(yi)在(zai)更(geng)高(gao)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)下(xia)實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)率(lv)改(gai)進(jin)
，從(cong)而(er)節(jie)省(sheng)大(da)量(liang)能(neng)源(yuan)。由(you)於(yu)無(wu)源(yuan)組(zu)件(jian)和(he)散(san)熱(re)器(qi)更(geng)小(xiao)，碳(tan)化(hua)矽(gui)還(hai)提(ti)供(gong)了(le)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)，並(bing)帶(dai)來(lai)整(zheng)體(ti)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)和(he)尺(chi)寸(cun)的(de)優(you)化(hua)。此(ci)外(wai)，碳(tan)化(hua)矽(gui)器(qi)件(jian)的(de)高(gao)結(jie)溫(wen)可(ke)能(neng)性(xing)、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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