浮思特 | 碳化硅（SiC）技術(shù)在伺服器領(lǐng)域的潛力

正在被廣泛使用的伺服技術(shù)使60年代的自動(dòng)化工程師羨慕無比。這種體積小、精確且完全電動(dòng)的技術(shù)反映了我們現(xiàn)在可以使用的半導(dǎo)體控制、傳感器和電力技術(shù)的緊湊性。今天的最大挑戰(zhàn)仍然是伺服和其控制器之間的布線。由于必須承受來自電機(jī)和控制信號(hào)的高電流，布線成本昂貴，且是電磁干擾（EMI）的重要源頭。阻抗不匹配引發(fā)的反射波經(jīng)常成為問題，對(duì)電機(jī)繞組的絕緣產(chǎn)生了破壞性壓力。理想情況下，將驅(qū)動(dòng)和控制器集成到伺服電機(jī)中將解決許多挑戰(zhàn)。

目前，硅基IGBT是伺服驅(qū)動(dòng)電路的主流。隨著制造商在近年來穩(wěn)步降低損耗和寄生效應(yīng)的影響，其出色的高電壓性能得到了體現(xiàn)。另外，封裝技術(shù)幫助減小了電路體積。然而，由于這些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須處理200%甚至300%的超載條件，被動(dòng)冷卻和集成的基于IGBT的伺服電機(jī)仍然無法實(shí)現(xiàn)。

解決伺服驅(qū)動(dòng)的挑戰(zhàn)

引入寬禁帶的SiC MOSFET，設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以將新工具應(yīng)用到伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中。SiC MOSFET提供更高的工作溫度，超越了IGBT，再加上更低的開關(guān)損耗和更高的源漏電壓，它們對(duì)這種應(yīng)用方面非常匹配。SiC MOSFET也可以從源引至漏極以非常低的電阻導(dǎo)電，允許使用節(jié)能的同步整流技術(shù)。

換用SiC還帶來了一系列其他好處。發(fā)生的損失與溫度關(guān)系不大，室溫和175°C的操作條件之間的差別很小。由于dv/dt可以通過門電阻RG進(jìn)行控制，電磁兼容性（EMC）更容易實(shí)現(xiàn)。這也開啟了更高開關(guān)頻率的大門。這允許將耗費(fèi)大量空間的磁性組件進(jìn)行縮小，并使伺服對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載變化的響應(yīng)更快。相比于基于IGBT的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師可以降低操作溫度高達(dá)40%，或者在相似的工作溫度下提供65%更多的電力。

利用今天的金屬核心印刷電路板（MCPCB）在集成伺服設(shè)計(jì)中，配合低損失的輔助電路和熱導(dǎo)電環(huán)氧樹脂，可以更簡單地控制熱挑戰(zhàn)。熱模擬顯示，當(dāng)使用300厘米2的齒背蓋時(shí)，集成的SiC設(shè)計(jì)頂部溫度只有113°C，后部保持在80°C以下。

全集成SiC的伺服

電源板被放置在最靠近外殼的位置，包裝有助于設(shè)計(jì)的緊湊度和輕量化。包裝包含一個(gè)Kelvin源引腳，可以用于實(shí)現(xiàn)EON損失的三倍降低。同時(shí)，擴(kuò)散焊接方法也可以提供熱阻的改善，優(yōu)于在其他包裝中使用的焊接工藝。堆棧的下一個(gè)板子承載驅(qū)動(dòng)程序，要提供高達(dá)6A的典型峰值電流，滿足使用的1200 V SiC MOSFET的需求。要使用無芯變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，也要集成Miller鉗位來防止寄生接通。控制系統(tǒng)在最后一塊板子上，并配備了DSP和MAC指令，要能應(yīng)對(duì)三相電機(jī)控制算法和其數(shù)字反饋環(huán)的挑戰(zhàn)。低延時(shí)通信總線的整合，同時(shí)使用各向異性磁阻（AMR）傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置，它的集成溫度補(bǔ)償功能，使伺服具有更高的精準(zhǔn)度。

從600 V DC供電的評(píng)估集成伺服電機(jī)在測(cè)試條件下被證明是可靠的，這些測(cè)試條件使伺服在慢（150ms）和快（50ms）周期間加速到±1500 RPM。

SiC的可用性讓工程師們最后能將電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整合到一個(gè)解決方案中。結(jié)合緊湊且高度集成的微控制器和磁性傳感器，以及熱優(yōu)化的MOSFET封裝，這可能最終宣告了在伺服系統(tǒng)中布線的結(jié)束。