碳化硅（SiC）技術在伺服器領域的潛力

正在被廣泛使用的伺服技術使60年代的自動化工程師羨慕無比。這種體積小、精確且完全電動的技術反映了我們現在可以使用的半導體控制、傳感器和電力技術的緊湊性。今天的最大挑戰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和控制信號的高電流，布線成本昂貴，且是電磁干擾（EMI）的重要源頭。阻抗不匹配引發的反射波經常成為問題，對電機繞組的絕緣產生了破壞性壓力。理想情況下，將驅動和控制器集成到伺服電機中將解決許多挑戰。

目前，硅基IGBT是伺服驅動電路的主流。隨著制造商在近年來穩步降低損耗和寄生效應的影響，其出色的高電壓性能得到了體現。另外，封裝技術幫助減小了電路體積。然而，由于這些驅動系統必須處理200%甚至300%的超載條件，被動冷卻和集成的基于IGBT的伺服電機仍然無法實現。

解決伺服驅動的挑戰

引入寬禁帶的SiC MOSFET，設計師現在可以將新工具應用到伺服驅動設計中。SiC MOSFET提供更高的工作溫度，超越了IGBT，再加上更低的開關損耗和更高的源漏電壓，它們對這種應用方面非常匹配。SiC MOSFET也可以從源引至漏極以非常低的電阻導電，允許使用節能的同步整流技術。

換用SiC還帶來了一系列其他好處。發生的損失與溫度關系不大，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進行控制，電磁兼容性（EMC）更容易實現。這也開啟了更高開關頻率的大門。這允許將耗費大量空間的磁性組件進行縮小，并使伺服對動態負載變化的響應更快。相比于基于IGBT的設計，設計師可以降低操作溫度高達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）在集成伺服設計中，配合低損失的輔助電路和熱導電環氧樹脂，可以更簡單地控制熱挑戰。熱模擬顯示，當使用300厘米2的齒背蓋時，集成的SiC設計頂部溫度只有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，包裝有助于設計的緊湊度和輕量化。包裝包含一個Kelvin源引腳，可以用于實現EON損失的三倍降低。同時，擴散焊接方法也可以提供熱阻的改善，優于在其他包裝中使用的焊接工藝。堆棧的下一個板子承載驅動程序，要提供高達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現電氣隔離，也要集成Miller鉗位來防止寄生接通。控制系統在最后一塊板子上，并配備了DSP和MAC指令，要能應對三相電機控制算法和其數字反饋環的挑戰。低延時通信總線的整合，同時使用各向異性磁阻（AMR）傳感器獲取轉子位置，它的集成溫度補償功能，使伺服具有更高的精準度。

從600 V DC供電的評估集成伺服電機在測試條件下被證明是可靠的，這些測試條件使伺服在慢（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和驅動系統整合到一個解決方案中。結合緊湊且高度集成的微控制器和磁性傳感器，以及熱優化的MOSFET封裝，這可能最終宣告了在伺服系統中布線的結束。