电机驱动
传统上，标准电机驱动电路与电机是分开放置的，这增加了电机驱动结构的重量和整体尺寸。此外，从驱动电路到电机的接口电缆会增加电路的电感，可能导致高频驱动装置对电机产生瞬态电压过冲。这也会导致功率密度设计效率低下。
在当今的电源管理领域，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙功率晶体管使设计人员能够通过提高开关频率来缩小功率电子器件。由于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的效率更高、散热更少，因此需要的散热器也更小。由于尺寸缩小，驱动元件可以集成到电机本身，从而使系统更加轻巧紧凑。
这种结构上的改进对于传动系统中的电动汽车牵引电机尤为重要，因为它的重量和效率是最理想的。(图 1）。
图 1：使用碳化硅 MOSFET 的电动汽车 (EV) 传动系统可在集成模块化电机驱动器 (IMMD) 中创建，提供更高的效率、更快的开关速度和更低的运行温度，同时满足汽车行业严格的质量要求（图片由 Wolfspeed 提供）
WGP 功率元件的优势
WBG 器件的主要优势在于其较低的总体损耗、快速开关能力和高温工作能力。碳化硅和氮化镓将成为功率架构的主要 WBG 器件。考虑到 WBG 器件的电压范围，氮化镓功率晶体管的额定电压最高可达 650V，而碳化硅则从 650V 开始，模块电压最高可达 10kV。
WBG 和 IMMD 将使航空航天、车辆牵引系统和其他领域的电机驱动设计受益。除了减小尺寸和重量外，WBG 设备更昂贵的成本还可以通过消除单独的机柜外壳以及相关的连接器和电缆来抵消。此外，没有连接电缆可降低电机绕组绝缘中的漏电流，从而延长电机寿命并改善任何电磁干扰（EMI）。最后，还能降低安装、制造和维护成本。
考虑到 WBG 器件的电压范围，氮化镓功率晶体管的额定电压最高可达 650V，而碳化硅功率晶体管的额定电压从 650V 开始，在模块中最高可达 10kV。
碳化硅/硅混合材料
图 2：用于牵引逆变器的 SiC 肖特基势垒二极管 (SiC-SBD) 高功率、低损耗、可靠电源模块电路图（图片由三菱公司提供）
图 3：碳化硅与硅的高速开关对比（图片由三菱公司提供）
反向恢复
用碳化硅肖特基势垒二极管（SBD）取代硅续流 PiN 二极管，可大幅降低二极管反向恢复电流和 IGBT 开关损耗。
SiC 肖特基势垒二极管具有零反向恢复电荷 (Qrr) 的特点，可实现超快开关操作。SiC SBD 的超低 Qrr 使基于硬开关 IGBT 的典型应用中的开关损耗降低。这降低了 IGBT 的外壳温度，提高了系统效率，并有可能减小硅 IGBT 的尺寸。(图 4）
图 4：不同温度下 650V （左图）和 1200V （右图）碳化硅肖特基二极管和硅双极二极管的反向恢复电荷 (Qrr)。阴影区域表示由于硅双极二极管的少数载流子重组而浪费的能量。(图片由 CREE 提供）
WBG 设备在电机驱动中的应用
WBG 器件为包括电机驱动器在内的许多应用提供了显著优势。图 5 展示了低电感、高速和高温电机应用、重要要求以及 Si 解决方案的局限性。
图 5：WBG 在电机驱动中的各种应用（图片来自参考文献 1，下图）
因此，我们可以看到，WBG 设备可以有效地实现需要高开关频率和高带宽的大功率、低电感电机。不要忘了电动汽车，它使用复杂的电力电子设备来管理车轮需求、内燃机和存储设备之间的能量流。电池充电器也是 SiC 器件大显身手的绝佳应用。在设计工程师们的聪明才智下，还会有更多的应用出现在工业领域。
参考资料
- 交流电驱动中的宽带隙器件：机遇与挑战》，Ajay Kumar Morya，IEEE 成员，Matthew C. Gardner，IEEE 学生成员，Bahareh Anvari，IEEE 成员，Liming Liu，IEEE 高级成员，Alejandro G. Yepes，IEEE 成员，Jesús Doval-Gandoy，IEEE 成员，以及 Hamid A. Toliyat，IEEE 研究员，IEEE TRANSACTIONS ON TRANSPORTATION ELECTRIFICATION，VOL.5, NO.1, MARCH 2019
