採用碳化矽設計工業馬達驅動器的實用工具

工業馬達，包括工業電壓馬達驅動器、伺服馬達驅動器、熱泵以及空調，合計共佔全球每年總電力消耗的 45% 以上。

隨著能源需求的增長，為減少工業馬達驅動器對環境造成的影響並防止地球暖化，越來越嚴格的效能標準或最低能源效率標準 (Minimum Energy Performance Standards, MEPS) 不斷湧現。迄今為止，全球已有包括歐盟、中國和美國在內的超過 50 個國家制定了與工業低壓馬達驅動器效率相關的法規。現今的工業馬達設計主要依據全球效率標準 IEC 60034-1-30，其中規定了 IE1 至 IE4 等級。最近，又新增了 IE5（或超高效率）標準。這些 IE 規範適用於所有由電網供電的馬達系統。到目前為止，大多數國家已要求至少達到 IE3 標準。

歐盟現在則要求馬達必須達到 IE4 法規。在傳統驅動器中，僅馬達必須達到 IE4，對驅動器無此要求。但是，在嵌入式驅動器中，馬達和驅動器整合為一個緊湊單元，因此整個系統都必須達到 IE4。

透過在驅動器電路內採用碳化矽代替傳統的矽基 IGBT，系統設計師可以將嵌入式馬達驅動器系統設計得更小、更輕，同時達到最嚴格的 IE4 效率標準。本文介紹如何簡化與加速碳化矽設計流程並降低流程中的風險，以及如何在工業馬達驅動器系統更輕鬆達到 IE4 和 IE5 節能標準。

在設計工業馬達驅動器時，採用碳化矽可以簡化與加速設計流程並降低流程中的風險，輕鬆達到 IE4 和 IE5 效率標準。

第 1 步：學習

無論您是否有使用碳化矽元件的經驗，設計流程的第一階段就是要熟悉各種碳化矽產品，並瞭解產品之間的主要區別。這些區別包括封裝尺寸、電壓等級、開關速度和效率等。

模擬器提供了快速、可靠的方法，來探索系統需求及 SiC 功率在系統中的執行情形，並為設計師提供了理想平台來建立系統模型、確定應用的適當電壓等級或功率需求，並幫助選擇最適合的裝置元件進行進一步測試。

Wolfspeed 的 SpeedFit™ 設計模擬器是一款線上 PLECS 模擬工具，為評估碳化矽 MOSFET、二極體及功率模組提供易於使用的介面。

SpeedFit 提供超過 35 種拓撲，包括多種三相變流器拓撲。開始使用時，先為所需應用指定基本操作點，然後從建議的碳化矽產品清單中選擇。接著，根據拓撲輸入詳細的電路參數、操作條件及熱參數。並且可以啟用暫態操作點，來查看過載條件對熱效能的影響。透過 SpeedFit 可以靈活設置熱性能系統，既可以將熱參數作為固定散熱器溫度形式插入，也可以作為環境熱阻形式插入。如果終端熱性能系統未知，可以利用此步驟確定系統的散熱需求。

圖 1 舉例呈現熱泵應用 11 kW 馬達驅動器所需的參數和 SpeedFit 模擬器的輸入。

輸入參數後即可執行模擬，並在幾秒內獲得結果。結果中包含波形，用於確定轉換器的操作情形、接面溫度、功率損耗和效率。在此基礎上，可以調整先前輸入的參數並保留結果。這樣就可以輕鬆比較不同零件在不同操作條件下的效能，並確定最適合系統需求的 MOSFET 或功率模組。可以將模擬結果儲存為 PDF 或 CSV 格式，或直接索取樣品以開始評估階段。

此外，為了協助工程師在線下進行更深入的系統或電路模擬，還提供了所有元件的 PLECS 和 LTspice 模型。

第 2 步：評估

透過評估哪種 SiC 元件最適合所需應用，可以進一步完善工業馬達驅動器設計。對確定和比較碳化矽與傳統 IGBT 的效率而言，評估是關鍵步驟。傳統的親力親為測試方法可能需要數週的時間，這會顯著延緩設計流程，同時還需要操縱系統參數並最佳化整體系統。

使用評估套件，設計師只需幾分鐘就可完成元件配對和系統效能的評估並取得結果，使設計流程更快速也更有效率。

透過 SpeedVal™ 套件模組化評估平台等評估套件，可以在三相馬達驅動器系統快速測試特定碳化矽離散元件。SpeedVal 套件專為三相馬達驅動器應用而設計，提供一套模組化建置組件，可在實際工作點輕鬆交換快速電路內系統效能評估。

使用 SpeedVal 套件來評估和最佳化 Wolfspeed 650 V 到 1200 V SiC MOSFET 的高速動態切換效能，並可選擇業界領先合作夥伴提供的柵極驅動器。三相主機板包含用於在靜態負載上測試元件的開環韌體，並為馬達控制提供進階控制和韌體開發平台。此外，該主機板還提供編碼器和解析器硬體介面，以支援閉環速度和位置控制。

SpeedVal 套件還支援動態測試，包括雙脈衝和短路測試。這些平台具有經過最佳化的測試點，可以讀取高準確度的電流和電壓讀數。根據這些讀數，設計師可以調整 dV/dt（電壓變化率，馬達驅動器應用中的關鍵參數），確保與現有馬達相容，並調整閘極電阻和閘極電容，以協調開關行為。最佳化的 dV/dt 與閘極電阻相結合，有助於鞏固動力傳動系統的設計，並簡化最終開發階段。

第 3 步：開發

在最終開發階段，設計師會運用在學習和評估階段獲得的知識，自信構建最佳化的碳化矽系統。參考設計在開發階段具有重要輔助作用，能夠提供經過驗證的功率系統電路圖和佈局範例。這些設計適用於各種應用，可根據系統的功率等級調整大小，也可以根據成本要求調整。

Wolfspeed 兩款新的參考設計已針對採用碳化矽設計馬達驅動器進行最佳化：25 kW FM3 三相馬達驅動器和 11 kW 高效率三相馬達驅動器。

25 kW FM3 三相馬達驅動器提供支援早期 SiC 設計活動的通用設計封裝，讓工程師能夠將其作為簡單的三相馬達驅動器拓撲結構，開箱即用快速評估效能。此變頻器採用單一 Wolfspeed WolfPACK™ FM3 功率模組，峰值效率超過 99.5%，功率密度為 5.7 kW/L。該通用設計封裝提供可定制的韌體、隔離的 CAN 通訊和 GUI，以及可調適的功率階段，將操作條件彈性最大化。

11 kW 高效率三相馬達驅動器展現了 Wolfspeed 的 1200 V MOSFET 在工業加熱和冷卻應用中的表現，峰值效率達 99%，滿載效率達 98.6%。 與頻率為 16kHz 的相似 IGBT 解決方案相比，效率提高了 1.5%。

結論

使用支援工具可以讓碳化矽設計流程變得更加簡便高效，降低工業馬達驅動器從矽轉為碳化矽的進入門檻。透過三階段設計流程，工程師可以革新工業馬達驅動器系統，達到領先的 IE4 和 IE5 效率標準。還有問題嗎？您可以在Wolfspeed 功率應用論壇直接洽詢碳化矽應用工程師，以存取我們的知識庫、在社群論壇中提出技術問題，或透過私訊與我們聯絡。若要開始使用 Wolfspeed 碳化矽進行設計，請瀏覽：https://www.wolfspeed.com/tools-and-support。

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