IGBT｜基礎篇
在馬達應用中區分使用功率元件
2024.04.24
重點
・一般而言，IGBT覆蓋輸出容量大的低頻區域，Si MOSFET覆蓋輸出容量小的高頻區域，SiC MOSFET覆蓋輸出容量大的高頻區域。
・在馬達應用中，通常使用低頻（～20kHz）開關驅動、支援大輸出容量的IGBT。
・SiC MOSFET具有開關損耗低且支援大輸出容量的優點，但其普及由於涉及到成本平衡而受到限制。
每種功率元件都有其各自的特點，通常需要根據目標應用和所需特性和性能等來區分使用。本文將談一下如何在馬達應用中正確地區分使用IGBT、Si MOSFET和SiC MOSFET。
在馬達應用中區分使用功率元件
下圖與“IGBT的適用範圍”一文中使用的圖相同，圖中根據不同功率元件的特點列出了不同工作頻率和輸出容量（VA）下的適用範圍。對IGBT、Si MOSFET和SiC MOSFET的離散式元件覆蓋的面積進行比較後，可以彙整如下。當然，由於每種功率元件都是多樣化的，所以這裡是基於通常的概括性特點進行彙整的。
- ① 在IGBT與Si MOSFET的比較中，IGBT覆蓋輸出容量大的低頻區域，Si MOSFET覆蓋輸出容量小的高頻區域。
- ② 在IGBT與SiC MOSFET的比較中，SiC MOSFET覆蓋輸出容量大的高頻區域。
- ③ Si MOSFET與SiC MOSFET覆蓋的頻率範圍相同，但Si MOSFET覆蓋低輸出容量區域，而SiC MOSFET則覆蓋高輸出容量區域。
下圖更具體地列出了這些特點，並給出了在馬達應用中區分使用它們時的要點。從正確區分使用的角度來看，不同條件下的損耗差異是非常重要的。損耗分導通損耗和開關損耗來考慮。下圖中的IGBT、SiC MOSFET、Si MOSFET都是離散式元件，“+SBD”和“+FRD”表示外接對應的離散式二極體。
在導通損耗方面，如果流過的電流約在5A以下的範圍，Si MOSFET優於IGBT，但在5A以上時IGBT表現更出色。該電流區域未被SiC MOSFET覆蓋，因此通常考慮採用IGBT或Si MOSFET。Si MOSFET在以小電流運行的系統中佔優勢，比如家用空調的室外機等在輕載時正常穩定運行占比多的應用。這也與上述①中的IGBT和Si MOSFET的覆蓋範圍比較結果一致。
關於開關損耗，隨著PWM頻率（開關頻率）變快，在IGBT＋FRD（快速恢復二極體）和SiC MOSFET＋SBD（蕭特基二極體）之間的比較中，SiC MOSFET＋SBD更具優勢，與上述②中的比較結果一致。這是由於受IGBT+FRD的特點—導通時的反向恢復電流和關斷時的尾電流的影響。SiC MOSFET＋SBD因其不會流過尾電流而使開關損耗得以顯著改善。
但是，對於馬達應用而言，普通的馬達多在20kHz以下的較低頻率下使用，加上SiC MOSFET在成本方面不佔優勢，所以目前SiC MOSFET多在特殊應用中使用。在當今的馬達應用中，考慮到性能、損耗和成本之間的平衡，IGBT是主流。
綜上所述，我們探討了每種功率元件的特點以及包括成本在內的考量，最終需要根據應用的需求選擇合適的產品。在包括逆變器在內的馬達驅動應用中，除了上述的“IGBT離散式元件+FRD”範例外，被廣泛使用的還有針對馬達應用的FRD內建型IGBT離散式元件和IGBT IPM（智慧功率模組）。
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