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碳化硅功率器件加持,偉創電氣驅動器帶來怎樣的黑科技

時間:2022-12-26

來源:蘇州偉創電氣科技股份有限公司

導語:為大力推動高效電機應用,偉創電氣已專門成立高效能源SBU,目前已與行業內多家電機廠家達成戰略合作關系。近期,《直驅與傳動》采訪偉創電氣研發中心副總監何承曾,請他從工業能效提升、碳化硅(SiC)功率器件優勢、以及偉創電氣碳化硅(SiC)驅動器的應用等方面進行解讀。

  蘇州偉創電氣科技股份有限公司(以下簡稱:偉創電氣)提前布局高效電機領域,已掌握異步感應/永磁同步/同步磁阻電機的矢量控制技術、電機高頻注入控制技術、電機參數辨識技術、高速弱磁等關鍵核心技術;在產品性能方面,該公司變頻器產品在支持的電機類型、開環矢量控制性能、閉環矢量控制性能、電機參數學習等技術指標上,與國內同行業上市公司處于同一水平。

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  工業領域能源消費約占全社會能源消費的65%,是節能重點領域和主戰場之一。6月底,工業和信息化部、發展改革委、財政部等六部門聯合發布《工業能效提升行動計劃》,提出至2025 年,規模以上工業單位增加值能耗比2020年下降13.5%,新增高效節能電機占比達到70%以上,新增高效節能變壓器占比達到80%以上,將在重點用能行業遴選100家能效“領跑者”企業, 探索創建10家超級能效工廠。能效等級高,可靠性強的變頻器以及電機控制算法將迎來新的增長空間。

  更高效、節能的半導體材料——碳化硅(SiC)

  經過近20年的發展,變頻調速系統已廣泛使用在工業場合,雖然傳統硅基功率器件在其低損耗,高開關頻率,高功率密度特征上持續提升,但是由于自身特點的限制,在部分溫度高,安裝體積緊湊,電機電磁噪聲敏感的工業傳動場合,已無法適應高功率密度、高溫環境、低電機噪聲控制的應用要求,在一定程度上進入發展瓶頸期。

  伴隨新材料、新工藝的日益發展,被譽為第三代半導體材料的碳化硅功率器件,逐步走進行業內開發與從業者的視野。碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等優勢。具體表現為,相較于傳統的硅功率器件,其禁帶寬度為1.12eV,工作溫度局限在175℃;而碳化硅功率器件禁帶寬度為3.26eV,具有較寬的帶隙,工作溫度可高達200℃。

  在能量損耗方面,相較于同開關頻率硅功率器件,碳化硅功率器件可以減少50%。其次,碳化硅功率器件還具有較高的熱導率、高擊穿電場強度、高飽和漂移速率、高熱穩定性和化學惰性,其擊穿電場強度比同類傳統硅功率器件更高,從而降低了對系統熱預算的要求,因此更適用于高頻、高壓、高溫等工作場景中。何承曾談到,偉創電氣基于碳化硅功率器件的特性,所研發的變頻器支持開環矢量和閉環矢量兩種控制方式,載波頻率達到100kHz, 輸出頻率達到10kHz,采用電機諧波電流控制技術, 優化轉矩脈動控制,實現更低電機轉矩脈動及電機電磁噪聲, DPWM /CPWM智能切換動態載波調制,力求能耗與性能的最優權衡。

  其次,在功率器件死區時間控制方面,偉創變頻器最小死區時間控制在300ns左右,大幅提升輸出電壓利用率,與同類產品相比提升10%。

  此外,該變頻器全功率段采用單管及單管并聯方案,以獨特軟/硬件配合動態控制方法,實現單管之間有效均流,在功率器件異常情況(過流,短路)下快速保護,通過對變頻器中功率器件驅動參數優化,器件與結構布局優化,解決變頻器實際使用過程中(由于功率器件高du/dt產生的變頻器自身及配套使用設計) 的電磁干擾問題。


  偉創電氣碳化硅驅動器,應用潛力廣泛

  電動汽車、氫能源、智能電網、核電、太陽能、風能等能源領域以及船舶、海工、航空、航天、高速軌道交通等技術的不斷發展,對功率器件的性能提出了更高的要求。據了解,偉創電氣碳化硅功率變頻器在結構設計、制造工藝日趨完善的前提下,已挖掘出材料本身所決定的理論極限,在應用功能上可替代第二代半導體材料硅,滿足未來更高需求,將在工業界獲得更廣泛的應用。從具體市場反饋與接受度來看,何承曾指出,偉創電氣第一

  款碳化硅驅動器是公司為某行業龍頭企業定制化設計, SiC器件使用英飛凌FF11MR12W1M1_B11 模塊件方案,目前已完成中功率及小功率多款機型開發,在客戶端裝車試驗,碳化硅能提供更加高效節能、體積緊湊的電子核心器件,具有強大的應用潛力。隨著環保壓力增大和能源趨于緊張,新能源汽車作為關鍵方向日益受到重視,其中氫燃料電池電動汽車以其零排放、高能效、續航里程長、加注燃料時間短等優點,被認為是新能源汽車發展的重要方向之一,而燃料電池專用空壓機(由于轉速高,體積小)一直是攻克的關鍵技術難點,偉創電氣針對燃料電池空壓機電機控制器應用所研發的高速驅動器產品,其控制精度高,響應速度快,保護功能完善,為客戶提供完美的系統解決方案。

  擺脫國外供應商依賴瓶頸,偉創電氣貢獻行業力量

  近年來,新能源汽車產業迅猛發展,成為硅功率器件市場擴展的重要推動力。碳化硅功率器件已經迅速進入新能源充電樁、車載充電器、電機控制器等應用領域。特別是在電機控制器方面,使用碳化硅功率器件,可以將電機控制器體積縮小80%、重量減輕70%,最高效率達到99%,這些優勢將有效地提升新能源汽車的續航能力、空間利用等關鍵性能指標。

  此外,碳化硅驅動器可以通過提高運行載波,節省輸出濾波裝置或縮小電機體積等方式,有效改善現有高速電機驅動產品的痛點。隨著高速空浮、磁浮電機的應用普及,碳化硅驅動器憑借技術的優勢將迅速占領該類產品應用市場。

  

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偉創電氣開發的 SiC 碳化硅驅動器.png

  偉創電氣開發的 SiC 碳化硅驅動器

  為取得更高市場占有率,何承曾認為,成本目前是碳化硅功率器件所面臨的較大挑戰,據CASA預測,隨著SiC上游襯底、外延價格下降,預計 SiC 二極管和 SiC MOSFET 等器件的價格,每年以超過10%的速度下降,并逐步取代 Si 器件。

  隨著國內SiC功率器件產業化逐步完善,基于碳化硅功率器件的高效、高可靠性變頻器,將是下一代電機驅動產品的發展方向。偉創電氣表示將利用重要的發展機遇,為擺脫長期以來依賴于國外器件供應商的產業瓶頸,實現產品的國產化替代貢獻自己的行業力量。



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