為了實現環境目標並減少排放，世界各國政府紛紛推出立法，要求提高電動馬達的效率。
電動馬達及其驅動器消耗了我們當今發電量的很大一部分。在美國，能源部（DoE）估計馬達驅動系統消耗的電力占全國總發電量的一半以上。美國能源部也估計，電力成本約占馬達總生命週期成本的96%。因此，提高馬達和驅動器的效率可以在安裝的整個生命週期內顯著節省成本。
為了實現環境目標並減少排放，世界各國政府紛紛推出立法，要求提高電動馬達的效率。隨著馬達效率的顯著提高，歐盟等一些實體已開始關注馬達驅動系統的效率。由於減少了損耗和冷卻需求，碳化矽在將驅動器封裝到馬達外殼中的系統中具有顯著的優勢。
| 圖一 : 為了實現環境目標並減少排放，世界各國政府紛紛推出立法，要求提高電動馬達的效率。 |
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碳化矽的優點
幸運的是，已有一種解決方案可用：由碳化矽（SiC）製成的MOSFET。與矽IGBT相比，SiC MOSFET除了提供三倍低的熱阻和更有效的散熱之外，還具有更低的傳導和開關損耗，尤其是在部分負載條件下。許多馬達驅動系統在其使用壽命的大部分時間，其實都是在低於滿載的情況下作業，因此使用SiC時可以顯著提高效率。
除了提高逆變器效率外，SiC還可以改善驅動系統中的功率因數校正（PFC）電路。包含升壓PFC或完全雙向PFC的馬達驅動器可以透過提高開關頻率來減少濾波器磁性元件的尺寸，從而從SiC中受益。這種尺寸的減小可以使系統變得更小、更具成本效益。
靈活的評估平臺
Wolfspeed設計了SpeedVal Kit模組化評估平臺，以協助工程師進行SiC裝置的評估流程。該平臺獨特的卡緣連接讓使用者能夠更換碳化矽裝置來測試不同的組件組合，同時保持與直流總線的低電感連接，這意味著需要數週時間的測試可以在幾分鐘內完成。有四種類型的板可以互換：電源板、控制板、附件板和閘極驅動器，而這種簡單的定制有助於準確地表示最終應用。
該平臺專為三相評估而設計，但也提供半橋版本。除了兩個附加通道之外，三相板還提供了明確針對開發馬達驅動器的功能，例如用於閉環設計和速度控制的編碼器和旋轉變壓器回饋。還新增了控制器區域網路（CAN）通訊介面作為可選系統介面。
此外，該套件專為評估Wolfspeed的分離SiC MOSFET產品組合而設計，包括650V至1200V範圍內的產品，每種MOSFET變體和封裝選項都有自己的電路板。它可以在高達900V的直流母線電壓下作業，處理40A的輸入和輸出電流，並且能夠測試總功率超過 30kW 的馬達驅動和其他應用。SpeedVal平臺供應商提供的各種閘極驅動器板提供各種規格，使設計人員能夠為其應用選擇正確的閘極驅動器，並透過調整閘極參數及驗證MOSFET是否在其安全操作區域內作業來進行最佳化。可以調整開關行為以獲得適合馬達的dv/dt。這是馬達驅動設計中的重要步驟，因為許多馬達都是為IGBT驅動而設計的，而使開關速度與馬達速度相匹配可確保系統可靠性。
SpeedVal套件的控制板包含一個微控制器，用於向閘極驅動器提供脈寬調變 （PWM）訊號。這使得工程師可以使用實際的應用軟體進行硬體評估。或者，可以使用函數產生器向閘極提供控制訊號。控制卡具有預先測試的韌體和以電腦為基礎的GUI，可讓控制器板執行雙脈衝測試、運行三相馬達以及執行其他作業。控制卡和GUI還提供輸入和輸出電壓和電流讀數的系統級詳細資訊。
在評估過程中，工程師通常會先測試設計中的一相，每相皆代表一個單獨的電路。首先測試一相可以驗證電壓調節、效率和熱效能等效能指標。一旦單相效能達到預期，就可以添加剩餘的相。閘極驅動器最佳化和高功率測試過程成功完成後，設計人員就可以放心地繼續佈局電路，因為他們知道組件和設計將滿足所需的規格。
SiC只會越來越受歡迎
隨著工業應用和各種交通方式的電氣化，碳化矽產品將因其更高的效率和熱效能而受到歡迎，而這是這些應用的關鍵要求。馬達驅動只是SiC固有優勢能夠帶來回報的領域之一。其他高功率應用（例如電動車充電和再生能源發電）的設計者，也在尋求創造更有效率的設計並降低能源成本。SpeedVal Kit模組化評估平臺就足夠靈活，可以評估這些以及許多其他高功率三相用例（圖二）。
| 圖二 : SpeedVal 套件模組化評估平臺主機具備一系列具有獨特卡片邊緣連接的控制卡和閘極驅動器，使設計人員能夠透過快速改變碳化矽元件並評估所需的閘極驅動器來節省大量開發時間。 |
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結論
SpeedVal套件模組化評估平臺可快速評估SiC MOSFET和閘極驅動電路的電氣和熱效能。此外，它還可以對所選裝置進行調整以滿足目標應用的特定需求。 Wolfspeed的產品不僅限於SpeedVal平臺，還包括SpeedFit設計模擬器軟體，可協助使用者選擇合適的產品並完善系統規格。
由於靈活性和效率是SiC評估的關鍵，Wolfspeed提供一系列參考設計和全面的文檔，包括避免寄生干擾的PCB佈局指南，進一步幫助設計人員完成開發過程。
