家电电机驱动应用——SiC功率器件带来更高能效和功率密度-焦点关注
过去数十年，各种能源法规都强调了制造节能型产品的重要性。这大大促进了节能降耗[1]。此外，这些法规和标准为利用诸如SiC MOSFET等新技术优异的特性，设计出更富创新性的家用电器铺平了道路[2]。采用这些技术有助于制造商获得最高能效等级认证。
文：英飞凌科技Konstantinos Patmanidis、Stefano Ruzza、Claudio Villani
(资料图)
引言
不久前，英飞凌推出了一款新开发的高级集成功率器件（IPD）IM105-M6Q1B。IM105-M6Q1B采用7 mm x 7 mm四边无引线扁平封装（QFN），将英飞凌CoolSiC技术的诸多优点和堪称行业标杆的高可靠的高压驱动集成电路（IC）集于一体。使用这个集成功率器件（IPD），可以设计出具有更高功率密度的低功率电机驱动器，同时突破限制，扩大无散热片运行条件下的输出功率范围。
如图1所示，设计了一个测试驱动板，用于测试IM105-M6Q1B在典型冰箱压缩机负载状态下的性能。图中还提供了IM105-M6Q1B的框图。IPD的组成部分包括一个SiC MOSFET半桥（在Vgs = 18 V且Tj = 25°C条件下，其典型通态电阻为257 mΩ）和一个基于绝缘体上硅（SOI）技术的栅极驱动器。相比于标准器件的600 V阻断电压，其最大阻断电压已增至650 V，可在电网电压发生波动时提供更大耐压余量。英飞凌SOI技术用于栅极驱动器的优势在于高开关频率[3]、低欧姆（30Ω）单片集成自举二极管[3、4]和对感性负载切换过程引起的负瞬态具有很强的抗干扰能力[5]。此外，这个栅极驱动器提供了固定的内部死区时间，通常为540 ns，只要外部死区时间比这个值小，就会自动插入，以实现上下桥直通保护。所有这些栅极驱动器功能，以及英飞凌CoolSiC技术的优点，都集成在一个小型表面贴装器件（SMD）封装中。
image001.jpg
图1：驱动板测试车和IM105-M6Q1B框图
通态输出特性
本小节探讨了IM105-M6Q1B在两种栅极偏置电压（15 V和18 V）下的典型输出特性。在小功率家电电机驱动器市场，两种常用的产品是IKD04N60RC2和IPD60R280PFD7S。本小节也将它们的输出特性与IM105-M6Q1B进行了比较。
第一个输出特性图如图2所示。可以看出，在第一象限运行中，IM105-M6Q1B的压降大大低于（约4A）IKD04N60RC2的压降。此外，通常情况下，IM105-M6Q1B的RDS(on)温度依赖性在Vgs = 15 V时仅为0.11 mΩ/°C，在Vgs = 18 V时略高，为0.2 mΩ/℃。这凸显了CoolSiC技术的温度依赖性极小的特征。另一方面，在二极管导通期间的第三象限运行中，IM105-M6Q1B的压降高于IKD04N60RC2。然而，请注意，二极管仅在死区时间内导通，在应用条件下，死区时间约在0.5到1 µs之间，因此，其造成的损耗微不足道。当SiC MOSFET沟道在第三象限运行中导通时，压降略低于第一象限运行中的压降。
image003.png
图2：IM105-M6Q1B的通态输出特性与IKD04N60RC2对比
图3所示为第二个比较图。显然，在Tj = 25°C条件下，IPD60R280PFD7S在第一象限运行中的压降低于IM105-M6Q1B。当Vgs = 10 V且Tj = 25°C时，IPD60R280PFD7S的典型RDS(on)为233 mΩ。如其数据表所列，对于这种器件类型，增加栅极偏压并不会进一步降低压降。除此之外，还可以看出，IPD60R280PFD7S的压降温度依赖性明显高于IM105-M6Q1B。IPD60R280PFD7S的典型RDS(on)温度依赖性约为2.53 mΩ/°C，因此当结温升高时，其导通损耗将高于IM105-M6Q1B。同样地，当二极管加正向偏压时，IPD60R280PFD7S的压降低于IM105-M6Q1B。
image005.png
图3：IM105-M6Q1B的通态输出特性与IPD60R280PFD7S对比
最后，图4显示了上述器件的典型动态损耗总值，这些数据是使用典型的双脉冲测试装置测得。请注意，本分析不包括反向恢复损耗，因为它们对总损耗的影响相对较小。两种器件的电压变化率dv/dt均调节为6.5 – 7 V/ns左右，以确保公平比较。IM105-M6Q1B的开关速度由其集成栅极驱动器在内部调节为6至7 V/ns（20–80%）。
测试表明，相比于IKD04N60RC2，特别是相比于IPD60R280PFD7S，IM105-M6Q1B的功率损耗低得多，其功率损耗主要取决于导通损耗。最后，IM105-M6Q1B的动态损耗对温度的依赖性可以忽略不计，而其他器件，哪怕当Tj=100°C时，损耗也开始显著增加。
image007.png
图4：不同开关电流和温度条件下的开通和关断动态损耗之和
典型冰箱压缩机仿真分析
典型冰箱压缩机的完整工作循环包括多个工作点。其中两个最独特的工作点是额定工作点（输出功率约为40 W）和高负载工作点（输出功率约为160 W）。本分析使用了PLECS®软件工具来仿真计算三个器件的功率损耗。图5和图6所示为仿真结果和典型应用条件。在这些仿真中，壳温设置为Tc=110°C。受限于材料特性，这通常是印刷电路板（PCB）的最高工作壳温。在轻负载或额定负载条件下，IM105-M6Q1B的损耗比IPD60R280PFD7S低了近43%，更比IKD04N60RC2低60%。在这些条件下，将栅极电压增至Vgs＝18V并没有带来明显益处。
在高负载的情况下，IM105-M6Q1B的损耗比IPD60R280PFD7S低了近37%，更比IKD04N60RC2低64%。在这个测试中，将IM105-M6Q1B的栅极电压增至Vgs＝18V，使损耗相对于栅极电压Vgs＝15V时降低了14%，这是IM105-M6Q1B可实现的最低损耗。
image009.png
图5：在特定的额定负载条件下典型冰箱压缩机的功率损耗分割图
image011.png
图6：在特定的高负载条件下典型冰箱压缩机的功率损耗分割图
逆变器级的效率计算如表1所示。本分析考虑了一个两电平三相逆变器，即，总共6颗器件。在标称负载下，IM105-M6Q1B的总效率增加量比IKD04N60RC2多2.7%，比IPD60R280PFD7S多近1%。在高负载条件下，相比于IKD04N60RC2和IPD60R280PFD7S，效率分别增加了约为1.5%和0.5%。
表1：6桥两电平三相逆变器的效率计算
| 器件 | 效率 [%]
X 关闭 | |