3.靜態與動態效能
以下將比較兩種技術的靜態和動態特質,設定條件為一般運作,接面溫度TJ = 110 °C。
圖5為兩種元件的輸出靜態電流電壓特性曲線(V-I curves)。兩相比較可看出無論何種狀況下碳化硅MOSFET的優勢都大幅領先,因為它的電壓呈現線性向前下降。
即使碳化硅MOSFET必須要有VGS = 18 V才能達到很高的RDS(ON),但可保證靜態效能遠優于硅基IGBT,能大幅減少導電耗損。

圖5:比較動態特質
兩種元件都已經利用雙脈波測試,從動態的角度加以分析。兩者的比較是以應用為基礎,例如600 V匯流排直流電壓,開啟和關閉的dv/dt均設定為5 V/ns。
圖6為實驗期間所測得數據之摘要。跟硅基IGBT相比,在本實驗分析的電流范圍以內,碳化硅MOSFET的開啟和關閉能耗都明顯較低(約減少50%),甚至在5 V/ns的狀況下亦然。

圖6:動態特色的比較
4.電熱模擬
為比較兩種元件在一般工業傳動應用的表現,我們利用意法半導體的PowerStudio軟體進行電熱模擬。模擬設定了這類應用常見的輸入條件,并使用所有與溫度相關的參數來估算整體能源耗損。
用來比較的工業傳動,標稱功率為20 kW,換流速度為5 V/ns(輸入條件如表2所列)。

表2:模擬條件
設定4kHz和8 kHz兩種不同切換頻率,以凸顯使用解決方案來增加fsw之功能有哪些好處。
因為考量到隨著時間推移,所有馬達通常要在不同的作業點運轉,所以我們利用一些基本假設來計算傳動的功率損耗。依照定義IE等級成套傳動模組(CDM)的EN 50598-2標準,還有新型IES等級的電氣傳動系統(PDS),我們將兩個作業點套用在模擬中:一是50%扭矩所產生的電流,第二個則為100%,對我們的應用來說這代表輸出電流分別為24和40 Arms。
若以最大負載點而論(100%扭力電流),兩種元件的散熱片熱電阻都選擇維持大約110 °C的接面溫度。
圖7在50%扭力電流和切換頻率4-8 kHz的狀況下,比較了碳化硅MOSFET和硅基IGBT解決方案的功率耗損。

圖7:50%扭力電流下每個開關的功率耗損