摘要
由于电动马达佔工业大部分的耗电量，工业传动的能源效率成为一大关键挑战。因此，半导体製造商必须花费大量心神，来强化转换器阶段所使用功率元件之效能。意法半导体（ST）最新的碳化硅金属氧化物半导体场效电晶体（SiC MOSFET）技术，为电力切换领域立下全新的效能标准。
本文将强调出无论就能源效率、散热片尺寸或节省成本方面来看，工业传动不用硅基（Si）绝缘栅双极电晶体（IGBT）而改用碳化硅MOSFET有哪些优点。
1. 导言
目前工业传动通常採用一般所熟知的硅基IGBT反相器（inverter），但最近开发的碳化硅MOSFET元件，为这个领域另外开闢出全新的可能性。
意法半导体的碳化硅MOSFET技术，不但每单位面积的导通电阻非常之低，切换效能绝佳，而且跟传统的硅基续流二极体（FWD）相比，内接二极体关闭时的反向恢复能量仍在可忽略范围内。
考量到帮浦、风扇和伺服驱动等工业传动都必须持续运转，利用碳化硅MOSFET便有可能提升能源效率，并大幅降低能耗。
本文将比较1200 V碳化硅MOSFET和Si IGBT的主要特色，两者皆採ACEPACK™封装，请见表1。
表1：元件分析
本文将利用意法半导体的PowerStudio软体，将双脉波测试的实验数据和统计测量结果套用在模拟当中。模拟20kW的工业传动，并评估每个解决方案每年所耗电力，还有冷却系统的要求。
2. 主要的技术关键推手和应用限制
以反相器为基础的传动应用，最常见的拓扑就是以6个电源开关连接3个半桥接电桥臂。
每一个半桥接电桥臂，都是以欧姆电感性负载（马达）上的硬开关换流运作，藉此控制它的速度、位置或电磁转距。因为电感性负载的关係，每次换流都需要6个反平行二极体执行续流相位。当下旁（lower side）飞轮二极体呈现反向恢复，电流的方向就会和上旁（upper side）开关相同，反之亦然；因此，开启状态的换流就会电压过衝（overshoot），造成额外的功率耗损。这代表在切换时，二极体的反相恢复对功率损失有很大的影响，因此也会影响整体的能源效率。
跟硅基FWD搭配硅基IGBT的作法相比，碳化硅MOSFET因为反向恢复电流和恢复时间的数值都低很多，因此能大幅减少恢复耗损以及对能耗的影响。
图1和图2分别为50 A-600 VDC状况下，碳化硅MOSFET和硅基IGBT在开启状态下的换流情形。请看蓝色条纹区块，碳化硅MOSFET的反向恢复电流和反向恢复时间都减少很多。开启和关闭期间的换流速度加快可减少开关时的电源耗损，但开关换流的速度还是有一些限制，因为可能造成电磁干扰、电压尖峰和振盪问题恶化。
