在工业电机驱动器中采用碳化硅设计的实用工具

每年，包括工业低电压电机驱动器、伺服驱动器、热泵和空调在内的工业电机所消耗的电量占全球总耗电量的 45% 以上。

随着能源需求的增长，越来越严格的效率标准或最低能效标准 (MEPS) 顺势而生，旨在减少工业电机驱动器对日益变暖的地球所造成的环境影响。迄今为止，全球范围内已有 50 多个国家/地区（包括欧盟、中国和美国等重要经济体）纷纷制定了有关工业低压电机驱动器效率的规范。当今的工业电机设计主要遵循全球效率标准 IEC 60034-1-30，其中规定了电机效率的不同等级，即 IE1 至 IE4。最近，又增加了一个 IE5（即超高效率）标准。这些 IE 规范适用于所有使用电网供电的电机系统。到目前为止，大多数国家/地区已经采纳 IE3 作为最低标准。在欧盟地区，则要求电机达到 IE4 标准。在传统的驱动系统中，IE4 标准仅适用于电机部分，而不适用于整个驱动。但是，在嵌入式驱动中，电机和驱动器集成在一个紧凑的单元中，整个系统必须符合 IE4 标准。

在驱动器电路中采用碳化硅代替传统的硅基 IGBT，可使系统设计人员在设计出更小型、更轻量的嵌入式电机驱动系统的同时，达到最严格的 IE4 效率标准。本文将介绍如何简化、加快碳化硅设计流程并降低风险，以及如何在工业电机驱动系统中更轻松地实现 IE4 和 IE5 节能目标。

使用碳化硅设计工业电机驱动器，可简化、加快设计流程并降低风险，同时轻松达到 IE4 和 IE5 效率标准。

第 1 步：了解

无论您是碳化硅元器件领域的资深专家，还是初涉此技术，设计过程的首要步骤都是熟悉碳化硅产品的范围，并了解它们之间的核心差异。这些差异包括封装尺寸、电压等级、开关速度和效率。仿真工具为了解系统需求以及碳化硅器件在其中的性能表现提供了一种快速、可靠的方式，并为设计人员提供了一个理想的平台，使其能够便捷地为系统建模，精准确定最适合应用的电压等级和功率需求，进而辅助他们选择最适合进一步测试的器件。

Wolfspeed SpeedFit™ 设计仿真工具是一款基于 PLECS 的在线仿真工具，以其简单易用的界面，为评估碳化硅 MOSFET、二极管和功率模块提供了便捷高效的解决方案。

SpeedFit 提供了超过 35 种的拓扑结构，包括多种三相逆变器拓扑结构。要开始使用该工具，首先明确所需应用的基本工作参数和条件，并从推荐的碳化硅产品列表中进行选择。然后，根据拓扑结构输入详细的电路参数、运行条件和热参数。可启用瞬态工作点，以查看过载条件对热性能的影响。SpeedFit 在热系统配置方面展现出了高度灵活性，支持用户以固定散热器温度或设定与环境之间的热阻两种方式插入热参数。如果终端热系统未知，则可通过此步骤确定系统的热要求。图 1 举例说明了用于热泵应用的 11 kW 电机驱动器所需的参数和 SpeedFit 仿真工具的输入。

图 1: 用于热泵应用的 11 kW 电机驱动器所需的参数和 SpeedFit 仿真工具的输入

输入参数后，系统能够在数秒钟内执行仿真过程，从而确定结果。结果包括波形（用于确定转换器的运行方式）、结温、功率损耗和效率。在这里，可以保留结果，同时允许用户调整之前的输入参数。这样就可以轻松比较不同部件在不同工作条件下的性能，并确定最适合系统要求的 MOSFET 或功率模块。将仿真结果保存为 PDF 或 CSV 格式，或直接请求提供样品以进入评估阶段。

此外，为了满足设计人员在离线环境中进行更深入的系统或电路仿真的需求，还提供了所有器件的 PLECS 和 LTspice 模型。

第 2 步：评估

通过评估哪种碳化硅器件最适合所需应用，进一步完善工业电机驱动器设计。评估是确定和比较碳化硅与传统 IGBT 效率的关键步骤。传统的实际操作测试方法可能需要耗时数周之久，期间需要不断调整系统参数和优化整个系统，因此会大大减慢设计进程。借助评估套件，设计人员能够评估器件和系统性能，几分钟内即可获取结果，从而显著提升设计流程的效率和速度。SpeedVal™ 套件模块化评估平台等评估套件可用于快速测试三相电机驱动系统中的特定碳化硅分立器件。SpeedVal 套件专为三相电机驱动器应用而设计，集成了一套模块化的构件，这些构件可以轻松替换，方便在实际运行点对系统性能进行快速在线评估。

图 2：SpeedVal™ 套件模块化评估平台三相母板

使用 SpeedVal 套件评估和优化 Wolfspeed 650 V - 1200 V 碳化硅 MOSFET 的高速动态开关性能，同时为其搭配来自业界领先合作伙伴的栅极驱动器。三相母板集成了专用于在静态负载上测试器件的开环固件，并为电机控制领域的高级控制和固件开发提供了一个平台。此外，还集成了编码器和解析器的硬件接口，为电机控制系统提供闭环速度控制和位置控制功能。

SpeedVal 套件还支持动态测试，包括双脉冲和短路测试。这些平台经过精心设计，具有经优化的测试点，可以确保高保真度的电流和电压读数。利用这些读数，设计人员能够精准地调整 dV/dt 这一在电机驱动器应用中至关重要的参数，从而确保电机驱动器与现有电机兼容，同时通过调整栅极电阻与栅极电容，调控开关行为。dV/dt 和栅极电阻得到优化后，共同对动力总成的设计产生了显著的增强作用，并简化了最后的开发阶段。

第 3 步：开发

在最后的开发阶段，设计人员运用从学习和评估中获得的知识，自信地构建出得到优化的碳化硅系统。参考设计对开发阶段的工作大有裨益，可提供经过验证的电源系统原理图和布局示例。这些设计适用于各种应用，可根据系统的功率水平进行扩展，并可根据成本要求进行调整。

Wolfspeed 推出了两款专为优化碳化硅电机驱动器设计的全新参考设计：一款是 25 kW FM3 三相逆变器，另一款是 11 kW 高效三相电机驱动逆变器。

25 kW FM3 三相逆变器参考设计提供了一个支持早期碳化硅设计阶段活动的综合设计包，使工程师能够通过一个简单的三相逆变器拓扑结构，开箱即可快速评估其性能。这款逆变器采用单个 Wolfspeed WolfPACK™ FM3 功率模块，峰值效率超过 99.5%，功率密度达到 5.7 kW/L。其配套的综合设计软件包提供可定制的固件、隔离 CAN 通信和图形用户界面，以及可调整的功率级，共同确保了在不同工作条件下都能实现最大的灵活性。

11 kW 高效三相电机驱动逆变器参考设计展示了 Wolfspeed 的 1200V MOSFET 在工业加热和冷却应用中的卓越性能，其峰值效率可达到 99%，满载效率可达到 98.6%。与在 16 kHz 频率下运行的类似 IGBT 解决方案相比，这款逆变器实现了 1.5% 的效率提升。结论

通过采用适当的支持工具，碳化硅的设计过程可以变得更加简便高效，从而降低了从硅技术过渡到碳化硅技术在工业电机驱动器领域中的技术门槛和难度。通过一个三阶段设计流程，工程师能够开发出具有颠覆意义的工业电机驱动系统，并达到领先的 IE4 和 IE5 效率标准。还有什么疑问吗？在 Wolfspeed 功率应用在线讨论平台上与碳化硅应用工程师直接联系，访问我们的知识库，或在社群论坛上提出技术问题，或通过私聊与我们联系。要开始采用 Wolfspeed 碳化硅的设计，敬请访问：https://www.wolfspeed.com/tools-and-support  。

如需了解 25 kW FM3 三相逆变器参考设计更多信息，敬请访问：
https://www.wolfspeed.com/products/power/reference-designs/crd25da12n-fmc/ 

如需了解 11 kW 高效三相电机驱动逆变器参考设计更多信息，敬请访问：
https://www.wolfspeed.com/products/power/reference-designs/crd-11da12n-k/ 

如需了解 Wolfspeed 功率应用在线讨论平台，敬请访问：https://forum.wolfspeed.com/ 

英文原文与全文，敬请访问：
https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/practical-tools-for-designing-with-silicon-carbide-in-industrial-motor-drives/ 

关于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美国纽约证券交易所上市代码: WOLF）引领碳化硅（SiC）技术在全球市场的采用。我们为高效能源节约和可持续未来提供业界领先的解决方案。Wolfspeed 产品家族包括了 SiC 材料、功率器件，针对电动汽车、快速充电、可再生能源和储能等多种应用。我们通过勤勉工作、合作以及对于创新的热情，开启更多可能。了解更多详情，敬请访问 www.wolfspeed.com 。 文章来源：WOLFSPEED