【導(dǎo)讀】隨著能源需求的增長(zhǎng)，越來越嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)或最低能效標(biāo)準(zhǔn) (MEPS) 順勢(shì)而生，旨在減少工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)日益變暖的地球所造成的環(huán)境影響。迄今為止，全球范圍內(nèi)已有 50 多個(gè)國(guó)家/地區(qū)（包括歐盟、中國(guó)和美國(guó)等重要經(jīng)濟(jì)體）紛紛制定了有關(guān)工業(yè)低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器效率的規(guī)范。當(dāng)今的工業(yè)電機(jī)設(shè)計(jì)主要遵循全球效率標(biāo)準(zhǔn) IEC 60034-1-30，其中規(guī)定了電機(jī)效率的不同等級(jí)，即 IE1 至 IE4。最近，又增加了一個(gè) IE5（即超高效率）標(biāo)準(zhǔn)。這些 IE 規(guī)范適用于所有使用電網(wǎng)供電的電機(jī)系統(tǒng)。到目前為止，大多數(shù)國(guó)家/地區(qū)已經(jīng)采納 IE3 作為最低標(biāo)準(zhǔn)。
每年，包括工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)器、熱泵和空調(diào)在內(nèi)的工業(yè)電機(jī)所消耗的電量占全球總耗電量的 45% 以上。
隨著能源需求的增長(zhǎng)，越來越嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)或最低能效標(biāo)準(zhǔn) (MEPS) 順勢(shì)而生，旨在減少工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)日益變暖的地球所造成的環(huán)境影響。迄今為止，全球范圍內(nèi)已有 50 多個(gè)國(guó)家/地區(qū)（包括歐盟、中國(guó)和美國(guó)等重要經(jīng)濟(jì)體）紛紛制定了有關(guān)工業(yè)低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器效率的規(guī)范。當(dāng)今的工業(yè)電機(jī)設(shè)計(jì)主要遵循全球效率標(biāo)準(zhǔn) IEC 60034-1-30，其中規(guī)定了電機(jī)效率的不同等級(jí)，即 IE1 至 IE4。最近，又增加了一個(gè) IE5（即超高效率）標(biāo)準(zhǔn)。這些 IE 規(guī)范適用于所有使用電網(wǎng)供電的電機(jī)系統(tǒng)。到目前為止，大多數(shù)國(guó)家/地區(qū)已經(jīng)采納 IE3 作為最低標(biāo)準(zhǔn)。在歐盟地區(qū)，則要求電機(jī)達(dá)到 IE4 標(biāo)準(zhǔn)。在傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，IE4 標(biāo)準(zhǔn)僅適用于電機(jī)部分，而不適用于整個(gè)驅(qū)動(dòng)。但是，在嵌入式驅(qū)動(dòng)中，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器集成在一個(gè)緊湊的單元中，整個(gè)系統(tǒng)必須符合 IE4 標(biāo)準(zhǔn)。
在驅(qū)動(dòng)器電路中采用碳化硅代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅基 IGBT，可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)出更小型、更輕量的嵌入式電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的同時(shí)，達(dá)到最嚴(yán)格的 IE4 效率標(biāo)準(zhǔn)。本文將介紹如何簡(jiǎn)化、加快碳化硅設(shè)計(jì)流程并降低風(fēng)險(xiǎn)，以及如何在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中更輕松地實(shí)現(xiàn) IE4 和 IE5 節(jié)能目標(biāo)。
使用碳化硅設(shè)計(jì)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可簡(jiǎn)化、加快設(shè)計(jì)流程并降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)輕松達(dá)到 IE4 和 IE5 效率標(biāo)準(zhǔn)。
第 1 步：了解
無論您是碳化硅元器件領(lǐng)域的資深專家，還是初涉此技術(shù)，設(shè)計(jì)過程的首要步驟都是熟悉碳化硅產(chǎn)品的范圍，并了解它們之間的核心差異。這些差異包括封裝尺寸、電壓等級(jí)、開關(guān)速度和效率。仿真工具為了解系統(tǒng)需求以及碳化硅器件在其中的性能表現(xiàn)提供了一種快速、可靠的方式，并為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，使其能夠便捷地為系統(tǒng)建模，精準(zhǔn)確定最適合應(yīng)用的電壓等級(jí)和功率需求，進(jìn)而輔助他們選擇最適合進(jìn)一步測(cè)試的器件。
Wolfspeed SpeedFit? 設(shè)計(jì)仿真工具是一款基于 PLECS 的在線仿真工具，以其簡(jiǎn)單易用的界面，為評(píng)估碳化硅 MOSFET、二極管和功率模塊提供了便捷高效的解決方案。
SpeedFit 提供了超過 35 種的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括多種三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。要開始使用該工具，首先明確所需應(yīng)用的基本工作參數(shù)和條件，并從推薦的碳化硅產(chǎn)品列表中進(jìn)行選擇。然后，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸入詳細(xì)的電路參數(shù)、運(yùn)行條件和熱參數(shù)?？蓡⒂盟矐B(tài)工作點(diǎn)，以查看過載條件對(duì)熱性能的影響。SpeedFit 在熱系統(tǒng)配置方面展現(xiàn)出了高度靈活性，支持用戶以固定散熱器溫度或設(shè)定與環(huán)境之間的熱阻兩種方式插入熱參數(shù)。如果終端熱系統(tǒng)未知，則可通過此步驟確定系統(tǒng)的熱要求。圖 1 舉例說明了用于熱泵應(yīng)用的 11 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需的參數(shù)和 SpeedFit 仿真工具的輸入。
圖 1: 用于熱泵應(yīng)用的 11 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需的參數(shù)和 SpeedFit 仿真工具的輸入
輸入?yún)?shù)后，系統(tǒng)能夠在數(shù)秒鐘內(nèi)執(zhí)行仿真過程，從而確定結(jié)果。結(jié)果包括波形（用于確定轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行方式）、結(jié)溫、功率損耗和效率。在這里，可以保留結(jié)果，同時(shí)允許用戶調(diào)整之前的輸入?yún)?shù)。這樣就可以輕松比較不同部件在不同工作條件下的性能，并確定最適合系統(tǒng)要求的 MOSFET 或功率模塊。將仿真結(jié)果保存為 PDF 或 CSV 格式，或直接請(qǐng)求提供樣品以進(jìn)入評(píng)估階段。
此外，為了滿足設(shè)計(jì)人員在離線環(huán)境中進(jìn)行更深入的系統(tǒng)或電路仿真的需求，還提供了所有器件的 PLECS 和 LTspice 模型。
第 2 步：評(píng)估
通過評(píng)估哪種碳化硅器件最適合所需應(yīng)用，進(jìn)一步完善工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。評(píng)估是確定和比較碳化硅與傳統(tǒng) IGBT 效率的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)的實(shí)際操作測(cè)試方法可能需要耗時(shí)數(shù)周之久，期間需要不斷調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，因此會(huì)大大減慢設(shè)計(jì)進(jìn)程。借助評(píng)估套件，設(shè)計(jì)人員能夠評(píng)估器件和系統(tǒng)性能，幾分鐘內(nèi)即可獲取結(jié)果，從而顯著提升設(shè)計(jì)流程的效率和速度。SpeedVal? 套件模塊化評(píng)估平臺(tái)等評(píng)估套件可用于快速測(cè)試三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的特定碳化硅分立器件。SpeedVal 套件專為三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，集成了一套模塊化的構(gòu)件，這些構(gòu)件可以輕松替換，方便在實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行快速在線評(píng)估。
圖 2：SpeedVal? 套件模塊化評(píng)估平臺(tái)三相母板
使用 SpeedVal 套件評(píng)估和優(yōu)化 Wolfspeed 650 V - 1200 V 碳化硅 MOSFET 的高速動(dòng)態(tài)開關(guān)性能，同時(shí)為其搭配來自業(yè)界領(lǐng)先合作伙伴的柵極驅(qū)動(dòng)器。三相母板集成了專用于在靜態(tài)負(fù)載上測(cè)試器件的開環(huán)固件，并為電機(jī)控制領(lǐng)域的高級(jí)控制和固件開發(fā)提供了一個(gè)平臺(tái)。此外，還集成了編碼器和解析器的硬件接口，為電機(jī)控制系統(tǒng)提供閉環(huán)速度控制和位置控制功能。
SpeedVal 套件還支持動(dòng)態(tài)測(cè)試，包括雙脈沖和短路測(cè)試。這些平臺(tái)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，具有經(jīng)優(yōu)化的測(cè)試點(diǎn)，可以確保高保真度的電流和電壓讀數(shù)。利用這些讀數(shù)，設(shè)計(jì)人員能夠精準(zhǔn)地調(diào)整 dV/dt 這一在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中至關(guān)重要的參數(shù)，從而確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與現(xiàn)有電機(jī)兼容，同時(shí)通過調(diào)整柵極電阻與柵極電容，調(diào)控開關(guān)行為。dV/dt 和柵極電阻得到優(yōu)化后，共同對(duì)動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了顯著的增強(qiáng)作用，并簡(jiǎn)化了最后的開發(fā)階段。
第 3 步：開發(fā)
在最后的開發(fā)階段，設(shè)計(jì)人員運(yùn)用從學(xué)習(xí)和評(píng)估中獲得的知識(shí)，自信地構(gòu)建出得到優(yōu)化的碳化硅系統(tǒng)。參考設(shè)計(jì)對(duì)開發(fā)階段的工作大有裨益，可提供經(jīng)過驗(yàn)證的電源系統(tǒng)原理圖和布局示例。這些設(shè)計(jì)適用于各種應(yīng)用，可根據(jù)系統(tǒng)的功率水平進(jìn)行擴(kuò)展，并可根據(jù)成本要求進(jìn)行調(diào)整。
Wolfspeed 推出了兩款專為優(yōu)化碳化硅電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的全新參考設(shè)計(jì)：一款是 25 kW FM3 三相逆變器，另一款是 11 kW 高效三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器。
25 kW FM3 三相逆變器參考設(shè)計(jì)提供了一個(gè)支持早期碳化硅設(shè)計(jì)階段活動(dòng)的綜合設(shè)計(jì)包，使工程師能夠通過一個(gè)簡(jiǎn)單的三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開箱即可快速評(píng)估其性能。這款逆變器采用單個(gè) Wolfspeed WolfPACK? FM3 功率模塊，峰值效率超過 99.5%，功率密度達(dá)到 5.7 kW/L。其配套的綜合設(shè)計(jì)軟件包提供可定制的固件、隔離 CAN 通信和圖形用戶界面，以及可調(diào)整的功率級(jí)，共同確保了在不同工作條件下都能實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。
11 kW 高效三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器參考設(shè)計(jì)展示了 Wolfspeed 的 1200V MOSFET 在工業(yè)加熱和冷卻應(yīng)用中的卓越性能，其峰值效率可達(dá)到 99%，滿載效率可達(dá)到 98.6%。與在 16 kHz 頻率下運(yùn)行的類似 IGBT 解決方案相比，這款逆變器實(shí)現(xiàn)了 1.5% 的效率提升。
通過采用適當(dāng)?shù)闹С止ぞ?，碳化硅的設(shè)計(jì)過程可以變得更加簡(jiǎn)便高效，從而降低了從硅技術(shù)過渡到碳化硅技術(shù)在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域中的技術(shù)門檻和難度。通過一個(gè)三階段設(shè)計(jì)流程，工程師能夠開發(fā)出具有顛覆意義的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并達(dá)到領(lǐng)先的 IE4 和 IE5 效率標(biāo)準(zhǔn)。還有什么疑問嗎？在 Wolfspeed 功率應(yīng)用在線討論平臺(tái)上與碳化硅應(yīng)用工程師直接聯(lián)系，訪問我們的知識(shí)庫(kù)，或在社群論壇上提出技術(shù)問題，或通過私聊與我們聯(lián)系。要開始采用 Wolfspeed 碳化硅的設(shè)計(jì)，敬請(qǐng)?jiān)L問：https://www.wolfspeed.com/tools-and-support 。
Wolfspeed（美國(guó)紐約證券交易所上市代碼: WOLF）引領(lǐng)碳化硅（SiC）技術(shù)在全球市場(chǎng)的采用。我們?yōu)楦咝茉垂?jié)約和可持續(xù)未來提供業(yè)界領(lǐng)先的解決方案。Wolfspeed 產(chǎn)品家族包括了 SiC 材料、功率器件，針對(duì)電動(dòng)汽車、快速充電、可再生能源和儲(chǔ)能等多種應(yīng)用。我們通過勤勉工作、合作以及對(duì)于創(chuàng)新的熱情，開啟更多可能。
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