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碳化硅功率器件加持,伟创电气驱动器带来怎样的黑科技

时间:2022-12-26

来源:苏州伟创电气科技股份有限公司

导语:为大力推动高效电机应用,伟创电气已专门成立高效能源SBU,目前已与行业内多家电机厂家达成战略合作关系。近期,本刊采访伟创电气研发中心副总监何承曾,请他从工业能效提升、碳化硅(SiC)功率器件优势、以及伟创电气碳化硅(SiC)驱动器的应用等方面进行解读。

  苏州伟创电气科技股份有限公司(以下简称:伟创电气)提前布局高效电机领域,已掌握异步感应/永磁同步/同步磁阻电机的矢量控制技术、电机高频注入控制技术、电机参数辨识技术、高速弱磁等关键核心技术;在产品性能方面,该公司变频器产品在支持的电机类型、开环矢量控制性能、闭环矢量控制性能、电机参数学习等技术指标上,与国内同行业上市公司处于同一水平。

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  工业领域能源消费约占全社会能源消费的65%,是节能重点领域和主战场之一。6月底,工业和信息化部、发展改革委、财政部等六部门联合发布《工业能效提升行动计划》,提出至2025 年,规模以上工业单位增加值能耗比2020年下降13.5%,新增高效节能电机占比达到70%以上,新增高效节能变压器占比达到80%以上,将在重点用能行业遴选100家能效“领跑者”企业, 探索创建10家超级能效工厂。能效等级高,可靠性强的变频器以及电机控制算法将迎来新的增长空间。

  更高效、节能的半导体材料——碳化硅(SiC)

  经过近20年的发展,变频调速系统已广泛使用在工业场合,虽然传统硅基功率器件在其低损耗,高开关频率,高功率密度特征上持续提升,但是由于自身特点的限制,在部分温度高,安装体积紧凑,电机电磁噪声敏感的工业传动场合,已无法适应高功率密度、高温环境、低电机噪声控制的应用要求,在一定程度上进入发展瓶颈期。

  伴随新材料、新工艺的日益发展,被誉为第三代半导体材料的碳化硅功率器件,逐步走进行业内开发与从业者的视野。碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等优势。具体表现为,相较于传统的硅功率器件,其禁带宽度为1.12eV,工作温度局限在175℃;而碳化硅功率器件禁带宽度为3.26eV,具有较宽的带隙,工作温度可高达200℃。

  在能量损耗方面,相较于同开关频率硅功率器件,碳化硅功率器件可以减少50%。其次,碳化硅功率器件还具有较高的热导率、高击穿电场强度、高饱和漂移速率、高热稳定性和化学惰性,其击穿电场强度比同类传统硅功率器件更高,从而降低了对系统热预算的要求,因此更适用于高频、高压、高温等工作场景中。何承曾谈到,伟创电气基于碳化硅功率器件的特性,所研发的变频器支持开环矢量和闭环矢量两种控制方式,载波频率达到100kHz, 输出频率达到10kHz,采用电机谐波电流控制技术, 优化转矩脉动控制,实现更低电机转矩脉动及电机电磁噪声, DPWM /CPWM智能切换动态载波调制,力求能耗与性能的最优权衡。

  其次,在功率器件死区时间控制方面,伟创变频器最小死区时间控制在300ns左右,大幅提升输出电压利用率,与同类产品相比提升10%。

  此外,该变频器全功率段采用单管及单管并联方案,以独特软/硬件配合动态控制方法,实现单管之间有效均流,在功率器件异常情况(过流,短路)下快速保护,通过对变频器中功率器件驱动参数优化,器件与结构布局优化,解决变频器实际使用过程中(由于功率器件高du/dt产生的变频器自身及配套使用设计) 的电磁干扰问题。


  伟创电气碳化硅驱动器,应用潜力广泛

  电动汽车、氢能源、智能电网、核电、太阳能、风能等能源领域以及船舶、海工、航空、航天、高速轨道交通等技术的不断发展,对功率器件的性能提出了更高的要求。据了解,伟创电气碳化硅功率变频器在结构设计、制造工艺日趋完善的前提下,已挖掘出材料本身所决定的理论极限,在应用功能上可替代第二代半导体材料硅,满足未来更高需求,将在工业界获得更广泛的应用。从具体市场反馈与接受度来看,何承曾指出,伟创电气第一

  款碳化硅驱动器是公司为某行业龙头企业定制化设计, SiC器件使用英飞凌FF11MR12W1M1_B11 模块件方案,目前已完成中功率及小功率多款机型开发,在客户端装车试验,碳化硅能提供更加高效节能、体积紧凑的电子核心器件,具有强大的应用潜力。随着环保压力增大和能源趋于紧张,新能源汽车作为关键方向日益受到重视,其中氢燃料电池电动汽车以其零排放、高能效、续航里程长、加注燃料时间短等优点,被认为是新能源汽车发展的重要方向之一,而燃料电池专用空压机(由于转速高,体积小)一直是攻克的关键技术难点,伟创电气针对燃料电池空压机电机控制器应用所研发的高速驱动器产品,其控制精度高,响应速度快,保护功能完善,为客户提供完美的系统解决方案。

  摆脱国外供应商依赖瓶颈,伟创电气贡献行业力量

  近年来,新能源汽车产业迅猛发展,成为硅功率器件市场扩展的重要推动力。碳化硅功率器件已经迅速进入新能源充电桩、车载充电器、电机控制器等应用领域。特别是在电机控制器方面,使用碳化硅功率器件,可以将电机控制器体积缩小80%、重量减轻70%,最高效率达到99%,这些优势将有效地提升新能源汽车的续航能力、空间利用等关键性能指标。

  此外,碳化硅驱动器可以通过提高运行载波,节省输出滤波装置或缩小电机体积等方式,有效改善现有高速电机驱动产品的痛点。随着高速空浮、磁浮电机的应用普及,碳化硅驱动器凭借技术的优势将迅速占领该类产品应用市场。

  

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伟创电气开发的 SiC 碳化硅驱动器.png

  伟创电气开发的 SiC 碳化硅驱动器

  为取得更高市场占有率,何承曾认为,成本目前是碳化硅功率器件所面临的较大挑战,据CASA预测,随着SiC上游衬底、外延价格下降,预计 SiC 二极管和 SiC MOSFET 等器件的价格,每年以超过10%的速度下降,并逐步取代 Si 器件。

  随着国内SiC功率器件产业化逐步完善,基于碳化硅功率器件的高效、高可靠性变频器,将是下一代电机驱动产品的发展方向。伟创电气表示将利用重要的发展机遇,为摆脱长期以来依赖于国外器件供应商的产业瓶颈,实现产品的国产化替代贡献自己的行业力量。


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