【導讀】隨著能源需求的增長，越來越嚴格的效率標準或最低能效標準 (MEPS) 順勢而生，旨在減少工業電機驅動器對日益變暖的地球所造成的環境影響。迄今為止，全球範圍內已有 50 多個國家/地區（包括歐盟、中國和美國等重要經濟體）紛紛製定了有關工業低壓電機驅動器效率的規範。當今的工業電機設計主要遵循全球效率標準 IEC 60034-1-30，其中規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）標準。這些 IE 規範適用於所有使用電網供電的電機係統。到目前為止，大多數國家/地區已經采納 IE3 作為最低標準。
每年，包括工業低電壓電機驅動器、伺服驅動器、熱泵和空調在內的工業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，越來越嚴格的效率標準或最低能效標準 (MEPS) 順勢而生，旨在減少工業電機驅動器對日益變暖的地球所造成的環境影響。迄今為止，全球範圍內已有 50 多個國家/地區（包括歐盟、中國和美國等重要經濟體）紛紛製定了有關工業低壓電機驅動器效率的規範。當今的工業電機設計主要遵循全球效率標準 IEC 60034-1-30，其中規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）標準。這些 IE 規範適用於所有使用電網供電的電機係統。到目前為止，大多數國家/地區已經采納 IE3 作為最低標準。在歐盟地區，則要求電機達到 IE4 標準。在傳統的驅動係統中，IE4 標準僅適用於電機部分，而不適用於整個驅動。但是，在嵌入式驅動中，電機和驅動器集成在一個緊湊的單元中，整個係統必須符合 IE4 標準。
在驅動器電路中采用碳化矽代替傳統的矽基 IGBT，可使係統設計人員在設計出更小型、更輕量的嵌入式電機驅動係統的同時，達到最嚴格的 IE4 效率標準。本文將介紹如何簡化、加快碳化矽設計流程並降低風險，以及如何在工業電機驅動係統中更輕鬆地實現 IE4 和 IE5 節能目標。
使用碳化矽設計工業電機驅動器，可簡化、加快設計流程並降低風險，同時輕鬆達到 IE4 和 IE5 效率標準。
第 1 步：了解
無(wu)論(lun)您(nin)是(shi)碳(tan)化(hua)矽(gui)元(yuan)器(qi)件(jian)領(ling)域(yu)的(de)資(zi)深(shen)專(zhuan)家(jia)，還(hai)是(shi)初(chu)涉(she)此(ci)技(ji)術(shu)，設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)的(de)首(shou)要(yao)步(bu)驟(zhou)都(dou)是(shi)熟(shu)悉(xi)碳(tan)化(hua)矽(gui)產(chan)品(pin)的(de)範(fan)圍(wei)，並(bing)了(le)解(jie)它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)的(de)核(he)心(xin)差(cha)異(yi)。這(zhe)些(xie)差(cha)異(yi)包(bao)括(kuo)封(feng)裝(zhuang)尺(chi)寸(cun)、電壓等級、開關速度和效率。仿真工具為了解係統需求以及碳化矽器件在其中的性能表現提供了一種快速、可(ke)靠(kao)的(de)方(fang)式(shi)，並(bing)為(wei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)理(li)想(xiang)的(de)平(ping)台(tai)，使(shi)其(qi)能(neng)夠(gou)便(bian)捷(jie)地(di)為(wei)係(xi)統(tong)建(jian)模(mo)，精(jing)準(zhun)確(que)定(ding)最(zui)適(shi)合(he)應(ying)用(yong)的(de)電(dian)壓(ya)等(deng)級(ji)和(he)功(gong)率(lv)需(xu)求(qiu)，進(jin)而(er)輔(fu)助(zhu)他(ta)們(men)選(xuan)擇(ze)最(zui)適(shi)合(he)進(jin)一(yi)步(bu)測(ce)試(shi)的(de)器(qi)件(jian)。
Wolfspeed SpeedFit™ 設計仿真工具是一款基於 PLECS 的在線仿真工具，以其簡單易用的界麵，為評估碳化矽 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(zhong)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)，包(bao)括(kuo)多(duo)種(zhong)三(san)相(xiang)逆(ni)變(bian)器(qi)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)。要(yao)開(kai)始(shi)使(shi)用(yong)該(gai)工(gong)具(ju)，首(shou)先(xian)明(ming)確(que)所(suo)需(xu)應(ying)用(yong)的(de)基(ji)本(ben)工(gong)作(zuo)參(can)數(shu)和(he)條(tiao)件(jian)，並(bing)從(cong)推(tui)薦(jian)的(de)碳(tan)化(hua)矽(gui)產(chan)品(pin)列(lie)表(biao)中(zhong)進(jin)行(xing)選(xuan)擇(ze)。然(ran)後(hou)，根(gen)據(ju)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)輸(shu)入(ru)詳(xiang)細(xi)的(de)電(dian)路(lu)參(can)數(shu)、運行條件和熱參數。可啟用瞬態工作點，以查看過載條件對熱性能的影響。SpeedFit 在zai熱re係xi統tong配pei置zhi方fang麵mian展zhan現xian出chu了le高gao度du靈ling活huo性xing，支zhi持chi用yong戶hu以yi固gu定ding散san熱re器qi溫wen度du或huo設she定ding與yu環huan境jing之zhi間jian的de熱re阻zu兩liang種zhong方fang式shi插cha入ru熱re參can數shu。如ru果guo終zhong端duan熱re係xi統tong未wei知zhi，則ze可ke通tong過guo此ci步bu驟zhou確que定ding係xi統tong的de熱re要yao求qiu。圖 1 舉例說明了用於熱泵應用的 11 kW 電機驅動器所需的參數和 SpeedFit 仿真工具的輸入。
圖 1: 用於熱泵應用的 11 kW 電機驅動器所需的參數和 SpeedFit 仿真工具的輸入
輸入參數後，係統能夠在數秒鍾內執行仿真過程，從而確定結果。結果包括波形（用於確定轉換器的運行方式）、結溫、功gong率lv損sun耗hao和he效xiao率lv。在zai這zhe裏li，可ke以yi保bao留liu結jie果guo，同tong時shi允yun許xu用yong戶hu調tiao整zheng之zhi前qian的de輸shu入ru參can數shu。這zhe樣yang就jiu可ke以yi輕qing鬆song比bi較jiao不bu同tong部bu件jian在zai不bu同tong工gong作zuo條tiao件jian下xia的de性xing能neng，並bing確que定ding最zui適shi合he係xi統tong要yao求qiu的de MOSFET 或功率模塊。將仿真結果保存為 PDF 或 CSV 格式，或直接請求提供樣品以進入評估階段。
此外，為了滿足設計人員在離線環境中進行更深入的係統或電路仿真的需求，還提供了所有器件的 PLECS 和 LTspice 模型。
第 2 步：評估
通過評估哪種碳化矽器件最適合所需應用，進一步完善工業電機驅動器設計。評估是確定和比較碳化矽與傳統 IGBT 效xiao率lv的de關guan鍵jian步bu驟zhou。傳chuan統tong的de實shi際ji操cao作zuo測ce試shi方fang法fa可ke能neng需xu要yao耗hao時shi數shu周zhou之zhi久jiu，期qi間jian需xu要yao不bu斷duan調tiao整zheng係xi統tong參can數shu和he優you化hua整zheng個ge係xi統tong，因yin此ci會hui大da大da減jian慢man設she計ji進jin程cheng。借助評估套件，設計人員能夠評估器件和係統性能，幾分鍾內即可獲取結果，從而顯著提升設計流程的效率和速度。SpeedVal™ 套件模塊化評估平台等評估套件可用於快速測試三相電機驅動係統中的特定碳化矽分立器件。SpeedVal 套(tao)件(jian)專(zhuan)為(wei)三(san)相(xiang)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)應(ying)用(yong)而(er)設(she)計(ji)，集(ji)成(cheng)了(le)一(yi)套(tao)模(mo)塊(kuai)化(hua)的(de)構(gou)件(jian)，這(zhe)些(xie)構(gou)件(jian)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)替(ti)換(huan)，方(fang)便(bian)在(zai)實(shi)際(ji)運(yun)行(xing)點(dian)對(dui)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)進(jin)行(xing)快(kuai)速(su)在(zai)線(xian)評(ping)估(gu)。
圖 2：SpeedVal™ 套件模塊化評估平台三相母板
使用 SpeedVal 套件評估和優化 Wolfspeed 650 V - 1200 V 碳化矽 MOSFET 的de高gao速su動dong態tai開kai關guan性xing能neng，同tong時shi為wei其qi搭da配pei來lai自zi業ye界jie領ling先xian合he作zuo夥huo伴ban的de柵zha極ji驅qu動dong器qi。三san相xiang母mu板ban集ji成cheng了le專zhuan用yong於yu在zai靜jing態tai負fu載zai上shang測ce試shi器qi件jian的de開kai環huan固gu件jian，並bing為wei電dian機ji控kong製zhi領ling域yu的de高gao級ji控kong製zhi和he固gu件jian開kai發fa提ti供gong了le一yi個ge平ping台tai。此ci外wai，還hai集ji成cheng了le編bian碼ma器qi和he解jie析xi器qi的de硬ying件jian接jie口kou，為wei電dian機ji控kong製zhi係xi統tong提ti供gong閉bi環huan速su度du控kong製zhi和he位wei置zhi控kong製zhi功gong能neng。
SpeedVal taojianhaizhichidongtaiceshi，baokuoshuangmaichongheduanluceshi。zhexiepingtaijingguojingxinsheji，juyoujingyouhuadeceshidian，keyiquebaogaobaozhendudedianliuhedianyadushu。liyongzhexiedushu，shejirenyuannenggoujingzhunditiaozheng dV/dt 這一在電機驅動器應用中至關重要的參數，從而確保電機驅動器與現有電機兼容，同時通過調整柵極電阻與柵極電容，調控開關行為。dV/dt 和柵極電阻得到優化後，共同對動力總成的設計產生了顯著的增強作用，並簡化了最後的開發階段。
第 3 步：開發
zaizuihoudekaifajieduan，shejirenyuanyunyongcongxuexihepingguzhonghuodedezhishi，zixindigoujianchudedaoyouhuadetanhuaguixitong。cankaoshejiduikaifajieduandegongzuodayoubiyi，ketigongjingguoyanzhengdedianyuanxitongyuanlituhebujushili。zhexieshejishiyongyugezhongyingyong，kegenjuxitongdegonglvshuipingjinxingkuozhan，bingkegenjuchengbenyaoqiujinxingtiaozheng。
Wolfspeed 推出了兩款專為優化碳化矽電機驅動器設計的全新參考設計：一款是 25 kW FM3 三相逆變器，另一款是 11 kW 高效三相電機驅動逆變器。
25 kW FM3 sanxiangnibianqicankaoshejitigongleyigezhichizaoqitanhuaguishejijieduanhuodongdezongheshejibao，shigongchengshinenggoutongguoyigejiandandesanxiangnibianqituopujiegou，kaixiangjikekuaisupingguqixingneng。zhekuannibianqicaiyongdange Wolfspeed WolfPACK™ FM3 功率模塊，峰值效率超過 99.5%，功率密度達到 5.7 kW/L。其配套的綜合設計軟件包提供可定製的固件、隔離 CAN 通信和圖形用戶界麵，以及可調整的功率級，共同確保了在不同工作條件下都能實現最大的靈活性。
11 kW 高效三相電機驅動逆變器參考設計展示了 Wolfspeed 的 1200V MOSFET 在工業加熱和冷卻應用中的卓越性能，其峰值效率可達到 99%，滿載效率可達到 98.6%。與在 16 kHz 頻率下運行的類似 IGBT 解決方案相比，這款逆變器實現了 1.5% 的效率提升。
通tong過guo采cai用yong適shi當dang的de支zhi持chi工gong具ju，碳tan化hua矽gui的de設she計ji過guo程cheng可ke以yi變bian得de更geng加jia簡jian便bian高gao效xiao，從cong而er降jiang低di了le從cong矽gui技ji術shu過guo渡du到dao碳tan化hua矽gui技ji術shu在zai工gong業ye電dian機ji驅qu動dong器qi領ling域yu中zhong的de技ji術shu門men檻kan和he難nan度du。通tong過guo一yi個ge三san階jie段duan設she計ji流liu程cheng，工gong程cheng師shi能neng夠gou開kai發fa出chu具ju有you顛dian覆fu意yi義yi的de工gong業ye電dian機ji驅qu動dong係xi統tong，並bing達da到dao領ling先xian的de IE4 和 IE5 效率標準。還有什麼疑問嗎？在 Wolfspeed 功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)在(zai)線(xian)討(tao)論(lun)平(ping)台(tai)上(shang)與(yu)碳(tan)化(hua)矽(gui)應(ying)用(yong)工(gong)程(cheng)師(shi)直(zhi)接(jie)聯(lian)係(xi)，訪(fang)問(wen)我(wo)們(men)的(de)知(zhi)識(shi)庫(ku)，或(huo)在(zai)社(she)群(qun)論(lun)壇(tan)上(shang)提(ti)出(chu)技(ji)術(shu)問(wen)題(ti)，或(huo)通(tong)過(guo)私(si)聊(liao)與(yu)我(wo)們(men)聯(lian)係(xi)。要(yao)開(kai)始(shi)采(cai)用(yong) Wolfspeed 碳化矽的設計，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）引領碳化矽（SiC）技術在全球市場的采用。我們為高效能源節約和可持續未來提供業界領先的解決方案。Wolfspeed 產品家族包括了 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用。我們通過勤勉工作、合作以及對於創新的熱情，開啟更多可能。
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