电压源逆变器驱动系统广泛应用于工业变速电机控制领域。虽然硅IGBT仍然是此类驱动系统中最主要的功率器件，但碳化硅(SiC)在性能和成本方面的提升，使得评估SiC在此应用中所能带来的系统整体优势变得极具吸引力。
交流电机驱动中的电力电子器件
电机是许多工业、商业和家用机械及电器的核心部件。据估计，电机消耗了全球超过50%的电力。其应用包括水泵、风扇、电梯、机器人、工业钻机和加工设备、暖通空调系统以及许多家用电器。以下各节将介绍电机驱动中电力电子器件的一些关键要求。
效率
电机本身的效率通常低于构成驱动系统的各个功率转换电路的效率。然而，输送至电机的电力可能要经过多个阶段的转换才能从电网输入，因此需要考虑累积效率。
电机效率的提升，例如许多主要国家要求达到最低IE3标准(如IEC 60034-30-1所规定)，需要与电机驱动电子设备的相应效率提升相辅相成。据估计，全球累积效率提高2%每年可节省230TWh的能源。
成本
电机的庞大用户基数意味着其对成本高度敏感。电机升级的更换成本可能远高于驱动电子设备的升级成本。需要考虑系统总成本，任何升级都必须包含初始投资回收期的计算。
驱动器本身的成本不仅包括功率模块，还包括滤波器等无源元件、冷却/散热器成本、功率密度等。间接成本可能包括外形尺寸，例如，额外的驱动器机架是否可以安装在原本需要更大驱动器的空间内。更小的驱动器可以与电机集成，从而降低布线成本。
鲁棒性
电机对驱动电子器件的要求很高。例如，绝缘老化会导致短路等故障。此前，SiC在电机驱动中的应用受到限制，主要原因是其短路耐受时间相对较短，远不及IGBT。如今，随着该指标的改进以及高速栅极驱动器的出现，这一问题已得到缓解。
过压能力、栅极氧化层稳定性以及承受大功率和温度循环的能力(以满足电机预期寿命内的负载需求)也是其他基本要求。功率模块的封装设计，例如提高功率密度、耐温性和降低热阻，其重要性不亚于半导体器件本身的特性。
下文将探讨SiC在电机驱动中的一些优势。本文基于伯尔尼应用科技大学教授Andrea Vezzini在电机系统平台(EMSA)研讨会上所发表的网络研讨会演讲。
有源前端(AFE)中的SiC
AFE用于将电网交流电(例如400V三相)转换为直流母线电压，供逆变器级驱动电机。可以使用廉价的二极管整流器将输入的交流电转换为直流电，其功率因数低至0.65左右。
使用晶体管构建AFE可以提高功率因数(从而降低失真)，这使得在制动期间可以将能量回馈到电网，并且可以通过转换器中的四象限运行实现电机的正反转。
本研究比较了Semikron Danfoss生产的硅IGBT和SiC功率模块。要求是将400V电网交流电转换为750V直流母线电压，负载电流为30A。两种情况下，最大结温基本相同(145°C)。
IGBT采用第七代50A、1200V模块，而SiC模块则由1200V SiC MOSFET组成，导通电阻为32mΩ(约40A驱动电流)。该SiC模块利用其固有体二极管进行续流。
SiC MOSFET器件电容较低，因此可以实现更高的开关频率。与逆变器级相比，在AFE中更容易实现这一点，因为逆变器级的开关频率受到限制，需要保持屏蔽电机电缆上的低漏电流。
如图1所示，IGBT和SiC模块的开关频率分别为5kHz和20kHz。尽管开关频率更高，但SiC模块的损耗降低了21%。
图1：电机驱动AFE中硅IGBT与SiC MOSFET功率模块的对比。(来源：Vezzini, A.)
采用SiC的高开关频率优势在于可以大幅减小滤波器尺寸。本例中使用的滤波器为Lg-C-Li型，其中Lg为电网侧电感，Li为逆变器侧电感。与采用5kHz开关频率的IGBT时使用的电感相比，这两个电感的体积分别减少了47%和75%。
滤波器的重量几乎减半。此外，绕组损耗的降低使得滤波器的净功率损耗降低了37%。更小的重量和体积也减少了存储空间和运输成本。
逆变器中的SiC
本文考虑的应用是驱动一台15kW离心泵，该离心泵采用标准永磁电机驱动，工作电压为355V，电流为26A，频率为50Hz。驱动系统采用560V直流母线电压、5kHz开关频率和5kV/µs的dv/dt开关转换速率。
本例中使用的IGBT模块为第七代，额定电流35A，额定电压1200V，而SiC模块与上述AFE案例中的相同。
对比结果如图2所示。在40%至80%的转速范围内，SiC模块的损耗降低了62%至54%，效率相应提升了1.7%至0.8%。
图2：电机驱动逆变器中硅IGBT与SiC MOSFET功率模块的对比。(来源：Vezzini, A.)
据估计，SiC模块约100欧元的较高成本可在一年内通过降低能耗节省的成本收回。此外，还能减少相当于172kg的二氧化碳排放量。
SiC电机驱动的挑战
在电机驱动中使用SiC会带来一些独特的挑战。以下章节将介绍其中一些挑战。
电压过冲
SiC的开关转换上升和下降时间更短，从而降低了开关损耗。然而，这使得系统更容易受到连接电缆上驱动器和电机之间反射波的影响，并可能导致显著的电压过冲。
临界电缆长度定义了超过该距离后，反射波会导致电压过冲达到直流母线电压两倍的距离。决定该长度的关键因素是开关转换的上升时间。对于硅IGBT中较慢的dv/dt，该临界长度可能达到几米；而对于SiC，该长度可以短至1到2m。
即使长度小于临界长度，更快的上升时间也会导致电机端子处出现显著更高的过冲，如图3所示。此外，更快的di/dt速率会限制最大换向回路电感。这就需要通过改进设计来降低寄生参数，例如缩小回路面积、紧密集成外部元件以及采用对称母线设计。
图3：(a)硅IGBT和SiC MOSFET的关断瞬态比较；(b)电机端子处的过冲。(来源：Vezzini, A.)
局部放电
局部放电是由于电压过冲产生局部高电场造成的。这种现象会损坏绕组绝缘层，导致灾难性故障或加速老化。
轴承故障
快速开关转换导致电机端子共模电压发生剧烈变化，从而产生轴承电流。这可能导致轴承故障。
电磁干扰(EMI)
由于SiC器件的开关频率更高，EMI发射包络会向更高频率移动。增强的电磁干扰会降低驱动性能，并通过感应高频电压损坏绝缘层或轴承。可能需要先进的滤波技术来抑制这种干扰。
SiC电机驱动器
SiC功率模块可以显著提高电机驱动器的效率，有助于降低电机的净能耗和碳足迹，并实现长期成本节约。更高的开关频率可以带来更小的占位面积，而SiC的导热优势可以转化为更简单、更小的冷却解决方案。SiC更快的开关频率带来的挑战需要仔细考虑，这些挑战可能需要定制设计。
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