【導(dǎo)讀】隨著能源需求的增長，越來越嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)或最低能效標(biāo)準(zhǔn) (MEPS) 順勢而生，旨在減少工業(yè)電機驅(qū)動器對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 多個國家/地區(qū)（包括歐盟、中國和美國等重要經(jīng)濟(jì)體）紛紛制定了有關(guān)工業(yè)低壓電機驅(qū)動器效率的規(guī)范。當(dāng)今的工業(yè)電機設(shè)計主要遵循全球效率標(biāo)準(zhǔn) IEC 60034-1-30，其中規(guī)定了電機效率的不同等級，即 IE1 至 IE4。最近，又增加了一個 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)供電的電機系統(tǒng)。到目前為止，大多數(shù)國家/地區(qū)已經(jīng)采納 IE3 作為最低標(biāo)準(zhǔn)。
每年，包括工業(yè)低電壓電機驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器、熱泵和空調(diào)在內(nèi)的工業(yè)電機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，越來越嚴(yán)格的效率標(biāo)準(zhǔn)或最低能效標(biāo)準(zhǔn) (MEPS) 順勢而生，旨在減少工業(yè)電機驅(qū)動器對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 多個國家/地區(qū)（包括歐盟、中國和美國等重要經(jīng)濟(jì)體）紛紛制定了有關(guān)工業(yè)低壓電機驅(qū)動器效率的規(guī)范。當(dāng)今的工業(yè)電機設(shè)計主要遵循全球效率標(biāo)準(zhǔn) IEC 60034-1-30，其中規(guī)定了電機效率的不同等級，即 IE1 至 IE4。最近，又增加了一個 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)供電的電機系統(tǒng)。到目前為止，大多數(shù)國家/地區(qū)已經(jīng)采納 IE3 作為最低標(biāo)準(zhǔn)。在歐盟地區(qū)，則要求電機達(dá)到 IE4 標(biāo)準(zhǔn)。在傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)中，IE4 標(biāo)準(zhǔn)僅適用于電機部分，而不適用于整個驅(qū)動。但是，在嵌入式驅(qū)動中，電機和驅(qū)動器集成在一個緊湊的單元中，整個系統(tǒng)必須符合 IE4 標(biāo)準(zhǔn)。
在驅(qū)動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)計人員在設(shè)計出更小型、更輕量的嵌入式電機驅(qū)動系統(tǒng)的同時，達(dá)到最嚴(yán)格的 IE4 效率標(biāo)準(zhǔn)。本文將介紹如何簡化、加快碳化硅設(shè)計流程并降低風(fēng)險，以及如何在工業(yè)電機驅(qū)動系統(tǒng)中更輕松地實現(xiàn) IE4 和 IE5 節(jié)能目標(biāo)。
使用碳化硅設(shè)計工業(yè)電機驅(qū)動器，可簡化、加快設(shè)計流程并降低風(fēng)險，同時輕松達(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、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)計人員提供了一個理想的平臺，使其能夠便捷地為系統(tǒng)建模，精準(zhǔn)確定最適合應(yīng)用的電壓等級和功率需求，進(jìn)而輔助他們選擇最適合進(jìn)一步測試的器件。
Wolfspeed SpeedFit? 設(shè)計仿真工具是一款基于 PLECS 的在線仿真工具，以其簡單易用的界面，為評估碳化硅 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)、運行條件和熱參數(shù)。可啟用瞬態(tài)工作點，以查看過載條件對熱性能的影響。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 電機驅(qū)動器所需的參數(shù)和 SpeedFit 仿真工具的輸入。
圖 1: 用于熱泵應(yīng)用的 11 kW 電機驅(qū)動器所需的參數(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，或直接請求提供樣品以進(jìn)入評估階段。
此外，為了滿足設(shè)計人員在離線環(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：評估
通過評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)電機驅(qū)動器設(shè)計。評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)的實際操作測試方法可能需要耗時數(shù)周之久，期間需要不斷調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和優(yōu)化整個系統(tǒng)，因此會大大減慢設(shè)計進(jìn)程。借助評估套件，設(shè)計人員能夠評估器件和系統(tǒng)性能，幾分鐘內(nèi)即可獲取結(jié)果，從而顯著提升設(shè)計流程的效率和速度。SpeedVal? 套件模塊化評估平臺等評估套件可用于快速測試三相電機驅(qū)動系統(tǒng)中的特定碳化硅分立器件。SpeedVal 套件專為三相電機驅(qū)動器應(yīng)用而設(shè)計，集成了一套模塊化的構(gòu)件，這些構(gòu)件可以輕松替換，方便在實際運行點對系統(tǒng)性能進(jìn)行快速在線評估。
圖 2：SpeedVal? 套件模塊化評估平臺三相母板
使用 SpeedVal 套件評估和優(yōu)化 Wolfspeed 650 V - 1200 V 碳化硅 MOSFET 的高速動態(tài)開關(guān)性能，同時為其搭配來自業(yè)界領(lǐng)先合作伙伴的柵極驅(qū)動器。三相母板集成了專用于在靜態(tài)負(fù)載上測試器件的開環(huán)固件，并為電機控制領(lǐng)域的高級控制和固件開發(fā)提供了一個平臺。此外，還集成了編碼器和解析器的硬件接口，為電機控制系統(tǒng)提供閉環(huán)速度控制和位置控制功能。
SpeedVal 套件還支持動態(tài)測試，包括雙脈沖和短路測試。這些平臺經(jīng)過精心設(shè)計，具有經(jīng)優(yōu)化的測試點，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)計人員能夠精準(zhǔn)地調(diào)整 dV/dt 這一在電機驅(qū)動器應(yīng)用中至關(guān)重要的參數(shù)，從而確保電機驅(qū)動器與現(xiàn)有電機兼容，同時通過調(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，共同對動力總成的設(shè)計產(chǎn)生了顯著的增強作用，并簡化了最后的開發(fā)階段。
第 3 步：開發(fā)
在最后的開發(fā)階段，設(shè)計人員運用從學(xué)習(xí)和評估中獲得的知識，自信地構(gòu)建出得到優(yōu)化的碳化硅系統(tǒng)。參考設(shè)計對開發(fā)階段的工作大有裨益，可提供經(jīng)過驗證的電源系統(tǒng)原理圖和布局示例。這些設(shè)計適用于各種應(yīng)用，可根據(jù)系統(tǒng)的功率水平進(jìn)行擴展，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)化碳化硅電機驅(qū)動器設(shè)計的全新參考設(shè)計：一款是 25 kW FM3 三相逆變器，另一款是 11 kW 高效三相電機驅(qū)動逆變器。
25 kW FM3 三相逆變器參考設(shè)計提供了一個支持早期碳化硅設(shè)計階段活動的綜合設(shè)計包，使工程師能夠通過一個簡單的三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開箱即可快速評估其性能。這款逆變器采用單個 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，共同確保了在不同工作條件下都能實現(xiàn)最大的靈活性。
11 kW 高效三相電機驅(qū)動逆變器參考設(shè)計展示了 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 頻率下運行的類似 IGBT 解決方案相比，這款逆變器實現(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)計過程可以變得更加簡便高效，從而降低了從硅技術(shù)過渡到碳化硅技術(shù)在工業(yè)電機驅(qū)動器領(lǐng)域中的技術(shù)門檻和難度。通過一個三階段設(shè)計流程，工程師能夠開發(fā)出具有顛覆意義的工業(yè)電機驅(qū)動系統(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)用在線討論平臺上與碳化硅應(yīng)用工程師直接聯(lián)系，訪問我們的知識庫，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，敬請訪問：https://www.wolfspeed.com/tools-and-support 。
Wolfspeed（美國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，針對電動汽車、快速充電、可再生能源和儲能等多種應(yīng)用。我們通過勤勉工作、合作以及對于創(chuàng)新的熱情，開啟更多可能。
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