基于电压源逆变器的驱动器广泛应用于工业变速电机控制场景。尽管硅基绝缘栅双极型晶体管(IGBT)仍是这类驱动器中的主流功率器件，但碳化硅(SIC)在性能与成本方面的持续优化，使其具备充分的技术优势，值得行业评估其在该应用中能为整体系统带来的综合效益。

交流电机驱动器中的电力电子技术

电机是工业、商业及民用机械设备与家电产品的核心动力源。据估算，电机的耗电量占全球总用电量的 50% 以上，应用场景涵盖水泵、风机、电梯、机器人、工业钻机、加工设备、暖通空调(HVAC)系统以及各类家用电器。下文将阐述电机驱动器用电力电子器件的几项关键技术要求。

效率

电机本体的效率通常低于驱动器功率转换电路各单元的效率。然而，电网输入的电能需经过多阶段转换才能输送至电机，因此必须考量系统的综合效率。

众多国家已强制要求电机效率达到 IE3 标准(依据国际电工委员会 IEC 60034-30-1 标准)，这就需要电机驱动电子器件的效率同步提升以形成配套。据测算，若全球电机驱动系统的综合效率提升 2%，每年可节省 230 太瓦时(TWh)的电能。

成本

电机的市场保有量庞大，这决定了其对成本的高度敏感性。此外，电机本体的升级改造成本往往远高于驱动电子器件的升级成本。因此，在进行技术升级时需核算全系统成本，并计算初始投资的回收期。

驱动器的成本不仅包含功率模块，还涵盖滤波器等无源器件、散热 / 散热器成本以及功率密度相关的设计成本等。间接成本则体现在设备尺寸上，例如，新型紧凑型驱动器能否适配原本需安装更大尺寸驱动器的机柜空间。体积更小的驱动器还可与电机集成，从而降低布线成本。

可靠性

电机运行环境往往会对驱动电子器件造成严苛考验。例如，绝缘层老化可能引发短路等故障。此前限制碳化硅在电机驱动器中应用的关键瓶颈，是其短路耐受时间相较于硅基 IGBT 更短。如今，随着碳化硅器件该性能指标的优化，以及高速栅极驱动器的配套使用，这一问题已得到有效缓解。

除此之外，器件还需满足过压耐受能力、栅氧化层稳定性，以及承受大功率与温度循环的能力(以匹配电机预期寿命内的负载曲线)等核心要求。功率模块的封装设计对于提升功率密度、增强温度循环耐受性和降低热阻至关重要，其重要性不亚于半导体器件本身的固有特性。

下文将基于伯尔尼应用科技大学教授安德里亚・韦齐尼，在 2024 年 11 月电机系统平台(EMSA)研讨会上的演讲内容，分析碳化硅在电机驱动器中的应用优势。

碳化硅在有源前端(AFE)中的应用

有源前端(AFE)的功能是将电网交流电(如 400V 三相电)转换为直流母线电压，为逆变器驱动电机提供电能。传统方案采用二极管整流器实现交直流转换，但其功率因数较低，通常在 0.65 左右。

采用晶体管构建的有源前端可有效提升功率因数(进而降低谐波畸变)，不仅能在电机制动时实现能量回馈电网，还能通过变流器的四象限运行模式，支持电机的正反转操作。

本研究对比了赛米控丹佛斯(Semikron Danfoss)生产的硅基 IGBT 功率模块与碳化硅功率模块，测试需求为将 400V 电网交流电转换为 750V 直流母线电压，负载电流设定为 30A，且两种方案的器件最高结温均控制在 145℃左右。

测试所用的硅基 IGBT 模块为第七代产品，额定参数为 50A/1200V;碳化硅模块则采用 1200V 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，导通电阻为 32 毫欧(对应约 40A 驱动能力)，并利用器件的体二极管实现续流功能。

碳化硅 MOSFET 的器件电容更低，这一特性使其能够支持更高的开关频率。相较于逆变器侧，有源前端实现高频开关的难度更低 —— 因为逆变器的开关频率会受限于屏蔽电机电缆的低泄漏电流要求。

如图 1 所示，硅基 IGBT 模块的开关频率为 5kHz，而碳化硅模块的开关频率提升至 20kHz。即便开关频率大幅提高，碳化硅模块的损耗仍降低了 21%。

图1

碳化硅器件高开关频率的优势在于，可大幅减小滤波器的尺寸。本测试采用的滤波器拓扑为 Lg-C-Li 结构(Lg 为电网侧电感，Li 为逆变器侧电感)。与 5kHz 开关频率的硅基 IGBT 方案相比，碳化硅方案的电网侧电感体积减小 47%，逆变器侧电感体积减小 75%。

滤波器的重量也近乎减半，同时，绕组损耗的降低使滤波器的净功率损耗减少 37%。更小的体积与更轻的重量，还能降低设备的仓储与运输成本。

碳化硅在逆变器中的应用

本应用案例的测试对象为一台 15kW 离心泵，配套标准永磁电机，电机运行参数为 355V、26A、50Hz，驱动器的直流母线电压为 560V，开关频率为 5kHz，开关压摆率(dV/dt)为 5kV / 微秒。

测试采用的硅基 IGBT 模块为第七代产品，额定参数为 35A/1200V;碳化硅模块则与前文有源前端测试所用的器件型号一致。

对比结果如图 2 所示：在电机转速 40%—80% 的区间内，碳化硅方案的损耗比硅基 IGBT 方案低 54%—62%，系统效率因此提升 0.8%—1.7%。

图2

经测算，碳化硅模块相较于硅基 IGBT 模块约 100 欧元的成本溢价，可通过降低能耗在一年内收回投资成本，同时还能减少相当于 172 千克的二氧化碳排放量。

碳化硅电机驱动器面临的挑战

碳化硅在电机驱动器中的应用也带来了一些独特的技术挑战，具体如下。

电压过冲

碳化硅器件的开关转换上升沿与下降沿时间更短，这是其开关损耗更低的核心原因，但同时也会导致驱动器与电机之间的连接电缆产生反射波，进而引发显著的电压过冲现象。

临界电缆长度是一个关键参数，当电缆长度超过该值时，反射波会使电机端电压过冲至直流母线电压的两倍。开关转换的上升时间是决定临界电缆长度的核心因素：硅基 IGBT 器件的压摆率(dV/dt)较低，其临界电缆长度可达数米;而碳化硅器件的临界电缆长度仅为 1—2 米。

如图 3 所示，即便电缆长度低于临界值，更快的开关上升时间仍会导致电机端子处的电压过冲幅度显著增大。此外，更高的电流变化率(di/dt)对换流回路的最大电感值提出了严格限制。这就需要通过优化设计来降低寄生参数，例如减小换流回路面积、紧密集成外围器件以及采用对称式母线排设计等。

图3

局部放电

电压过冲会产生强局部电场，进而引发局部放电现象。局部放电会损害电机绕组绝缘层，最终导致设备突发故障或加速老化。

轴承故障

快速的开关转换会使电机端子处的共模电压产生大幅波动，由此产生的轴承电流会导致电机轴承损坏。

电磁干扰(EMI)

碳化硅器件的高频开关特性会使电磁干扰的频谱向高频段偏移。增强的电磁干扰不仅会降低驱动器的运行性能，还会通过感应高频电压损害电机绝缘层与轴承，因此需要采用高性能滤波方案来抑制电磁干扰。

结语

碳化硅功率模块能够显著提升电机驱动器的效率，降低电机系统的净能耗与碳足迹，同时实现长期成本节约。更高的开关频率可减小设备体积，而碳化硅优异的导热性能则有助于简化散热设计、缩小散热器尺寸。不过，碳化硅高频开关特性带来的技术挑战需审慎应对，这往往需要针对性的定制化设计方案。