硅IGBT与碳化硅MOSFET的优缺点

什么是硅IGBT和碳化硅MOSFET？

Si IGBT是硅绝缘栅双极晶体管的简写。碳化硅MOSFET是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的缩写。

Si IGBT是电流控制器件，通过施加到晶体管栅极端子的电流切换，而MOSFET则由施加到栅极端子的电压进行电压控制。

Si IGBT和SiC MOSFET之间的主要区别在于它们可以处理的电流类型。一般来说，MOSFET更适合高频开关应用，而IGBT更适合高功率应用。

为什么硅IGBT和碳化硅MOSFET在电机驱动应用中至关重要

电动机在现代技术中无处不在，通常依靠电池系统作为动力源。例如，电动汽车利用大型电池阵列系统为车辆提供直流电源，从而通过交流电动机产生物理运动。对这些交流电机的绝对控制对于车辆的性能和效率以及车内人员的安全至关重要。然而，这种动力总成系统依靠逆变器将来自电池的直流电转换为交流信号，电机可以使用该信号产生运动。

这些逆变器精确控制电机的速度、扭矩、功率和效率，并实现再生制动能力。最终，逆变器对动力总成系统的价值与电机一样重要。与电源应用中的所有设备一样，逆变器的功能和设计要求可能有很大差异，并且对于直流电源到交流电机系统的整体系统性能至关重要。

现代直流到交流电机驱动应用中使用两种类型的逆变器：硅IGBT和碳化硅MOSFET。从历史上看，Si IGBT是最常见的，但SiC MOSFET因其各种性能优势和不断降低成本而倍增。当SiC MOSFET首次进入市场时，对于大多数电机驱动应用来说，它们的成本普遍过高。然而，随着这种卓越技术的采用增加，规模化制造大大降低了SiC MOSFET的成本。

MOSFET与IGBT：电机驱动控制的未来

机电设备——开关、螺线管、编码器、发电机和电动机——是从数字世界到物理世界的基本桥梁。所有这些设备的魔力在于它们能够将电信号转换为机械动作。

随着自动化制造、电动汽车、先进建筑系统和智能家电等行业的发展，对这些机电设备提高控制、效率和功能的需求也在增长。本文探讨了碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）的突破如何重新定义历史上使用硅IGBT（Si IGBT）进行功率反转的电动机的功能。这项创新扩展了几乎每个行业的电机驱动应用功能。

什么是硅IGBT和碳化硅MOSFET？

Si IGBT是硅绝缘栅双极晶体管的简写。碳化硅MOSFET是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的缩写。

Si IGBT是电流控制器件，通过施加到晶体管栅极端子的电流切换，而MOSFET则由施加到栅极端子的电压进行电压控制。

Si IGBT和SiC MOSFET之间的主要区别在于它们可以处理的电流类型。一般来说，MOSFET更适合高频开关应用，而IGBT更适合高功率应用。

为什么硅IGBT和碳化硅MOSFET在电机驱动应用中至关重要？

电动机在现代技术中无处不在，通常依靠电池系统作为动力源。例如，电动汽车利用大型电池阵列系统为车辆提供直流电源，从而通过交流电动机产生物理运动。对这些交流电机的绝对控制对于车辆的性能和效率以及车内人员的安全至关重要。然而，这种动力总成系统依靠逆变器将来自电池的直流电转换为交流信号，电机可以使用该信号产生运动。

这些逆变器精确控制电机的速度、扭矩、功率和效率，并实现再生制动能力。最终，逆变器对动力总成系统的价值与电机一样重要。与电源应用中的所有设备一样，逆变器的功能和设计要求可能有很大差异，并且对于直流电源到交流电机系统的整体系统性能至关重要。

现代直流到交流电机驱动应用中使用两种类型的逆变器：硅IGBT和碳化硅MOSFET。从历史上看，Si IGBT是最常见的，但SiC MOSFET因其各种性能优势和不断降低成本而倍增。当SiC MOSFET首次进入市场时，对于大多数电机驱动应用来说，它们的成本普遍过高。然而，随着这种卓越技术的采用增加，规模化制造大大降低了SiC MOSFET的成本。

硅IGBT与碳化硅MOSFET的优缺点

Si IGBT因其高电流处理能力、快速开关速度和低成本而历来用于直流至交流电机驱动应用。最重要的是，Si IGBT具有高额定电压、低压降、电导损耗和热阻，使其成为制造系统等大功率电机驱动应用的不二之选。然而，Si IGBT的一个相当大的缺点是它们极易受到热失控的影响。当设备温度不受控制地上升时，就会发生热失控，导致设备出现故障并最终发生故障。在高电流、电压和工作条件常见的电机驱动应用中，例如电动汽车或制造业，热失控可能是一个重大的设计风险。

作为这一设计挑战的解决方案，SiC MOSFET更能抵抗热失控。碳化硅的导热性更高，可实现更好的器件级散热和稳定的工作温度。碳化硅MOSFET更适合较温暖的环境条件空间，如汽车和工业应用。此外，鉴于其导热性，SiC MOSFET可以消除对额外冷却系统的需求，从而可能减小整体系统尺寸并潜在地降低系统成本。

由于SiC MOSFET的工作开关频率远高于Si IGBT，因此非常适合需要精确电机控制的应用。高开关频率在自动化制造中至关重要，其中高精度伺服电机用于工具臂控制、精密焊接和精确物体放置。

此外，与Si IGBT电机驱动器系统相比，SiC MOSFET的一个显着优势是它们能够嵌入电机组件中，电机控制器和逆变器嵌入与电机相同的外壳中。

通过将电机驱动器组件移动到电机的本地位置，可以大大减少驱动逆变器和电机驱动器之间的布线，从而节省大量成本。在图B的示例中，传统的Si IGBT电源柜可能需要21根独特的电缆来为机械臂的七个电机（标记为“M”）供电，这可能相当于数百米昂贵而复杂的布线基础设施。使用SiC MOSFET电机驱动系统，电缆数量可以减少到两根长电缆，连接到本地电机组件内每个电机驱动器

碳化硅MOSFET与硅IGBT的缺点！

然而，与硅IGBT相比，SiC MOSFET也有缺点。首先，SiC MOSFET仍然比Si IGBT更昂贵，因此可能不太适合成本敏感型应用。虽然SiC MOSFET本身更昂贵，但与Si IGBT系统相比，某些应用可能会降低整个电机驱动器系统的价格（通过减少布线、无源元件、热管理等），并且总体上可能更便宜。这种成本节约可能需要在两个应用系统之间进行复杂的设计和成本研究分析，但可以提高效率并节省成本。

SiC MOSFET的另一个缺点是，它们可能具有更复杂的栅极驱动要求，这可能使其在系统中其他组件可能限制栅极驱动资源的应用中不如IGBT理想。

使用碳化硅MOSFET改进的逆变器技术

碳化硅MOSFET极大地改进了电机驱动系统的逆变器技术。与所有类型的元件一样，在某些特定应用中，IGBT可能仍然更适合。然而，与Si IGBT相比，SiC MOSFET逆变器具有几个明显的优势，使其成为电机驱动应用和各种其他应用非常有吸引力的解决方案。

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编辑：黄飞