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安川電機(jī)擬在伺服機(jī)器人中采用SiC功率元件

2012-09-11 09:35:15 來(lái)源：日經(jīng)技術(shù) 點(diǎn)擊：3993

摘要：安川電機(jī)打算在電動(dòng)汽車(chē)用馬達(dá)和伺服馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器人裝置及逆變器裝置等中采用SiC功率元件。采用SiC可以使逆變器等電力轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型化。

關(guān)鍵字： 安川電機(jī)，電動(dòng)汽車(chē)，逆變器，電力轉(zhuǎn)換器

安川電機(jī)打算在電動(dòng)汽車(chē)用馬達(dá)和伺服馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器人裝置及逆變器裝置等中采用SiC功率元件。采用SiC可以使逆變器等電力轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型化。

安川電機(jī)試制出了輸出功率為45kW的電力轉(zhuǎn)換器(AC-AC轉(zhuǎn)換器)，通過(guò)采用SiC大幅實(shí)現(xiàn)了小型輕量化。與輸出功率相同的該公司現(xiàn)有產(chǎn)品“A1000”相比，體積和重量分別減至約1/25(圖1)。在使輸出功率與A1000保持一致的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了小型化，由此，電力轉(zhuǎn)換器整體的輸出電力密度增至約15kW/L(A1000約為0.6kW/L)。

電力轉(zhuǎn)換器由AC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器(DC-AC轉(zhuǎn)換)構(gòu)成。試制品的逆變器部的輸出密度為128kW/L，目前為業(yè)界最高，與采用SiC的競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)的逆變器相比，輸出密度是其約2倍。安川電機(jī)自信地表示，“嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，雖然與競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)的試制品的測(cè)量條件等不同，但即便如此，128kW/L的值也為業(yè)界最高”。

圖1：體積縮小至現(xiàn)有產(chǎn)品的1/25

安川電機(jī)試制出了與該公司現(xiàn)有產(chǎn)品“A1000”相比，體積只有約1/25的電力轉(zhuǎn)換器(a)。通過(guò)在構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器電路和逆變器電路上采用全SiC功率模塊，并提高開(kāi)關(guān)頻率等，實(shí)現(xiàn)了小型化(b)。電力轉(zhuǎn)換器整體的輸出電力密度約為15kW/L，僅逆變器部為128kW/L(c)。

采用雙溝道產(chǎn)品

電力轉(zhuǎn)換器能大幅實(shí)現(xiàn)小型化是因?yàn)椴捎昧伺鋫銼iC功率元件的功率模塊，并且應(yīng)用了高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作等適合該模塊的驅(qū)動(dòng)方法。

功率模塊和模塊使用的SiC功率元件由羅姆制造。安川電機(jī)一直在與羅姆共同致力于SiC相關(guān)的研究開(kāi)發(fā)。

功率模塊為晶體管和二極管均采用SiC功率元件的“全SiC”產(chǎn)品。轉(zhuǎn)換器部和逆變器部各使用3個(gè)SiC功率元件。該模塊是在高邊和低邊分別安裝一路晶體管和二極管的“2 in 1”產(chǎn)品(圖2)。

圖2：采用全SiC功率模塊

試制品采用的全SiC功率模塊是安川電機(jī)和羅姆共同開(kāi)發(fā)的(a)。為降低損耗和實(shí)現(xiàn)小型化，晶體管采用了溝道型SiC制MOSFET(b)。(攝影：安川電機(jī))

晶體管采用羅姆正在研發(fā)的“雙溝道構(gòu)造”SiC制MOSFET，二極管采用肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)。雙溝道產(chǎn)品為低損耗SiC制MOSFET中損耗最小的產(chǎn)品。除柵極下方外，還在源極下方設(shè)置了溝道，由此可以減緩截止時(shí)柵極部分產(chǎn)生的電場(chǎng)集中，從而降低導(dǎo)通電阻。

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還改善了被動(dòng)元件

采用SiC與以往的Si功率元件相比可以進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)。此次將轉(zhuǎn)換器部的開(kāi)關(guān)頻率提高到了100kHz。而現(xiàn)有產(chǎn)品A1000為10kHz左右注)。

注) 試制品逆變器部的開(kāi)關(guān)頻率為5kHz，與A1000相同。

通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率縮小了被動(dòng)元件的尺寸等，為電力轉(zhuǎn)換器的小型化做出了貢獻(xiàn)。例如，輸入電抗器與A1000采用的產(chǎn)品相比尺寸只有其1/80左右。

不過(guò)，提高開(kāi)關(guān)頻率后，電抗器內(nèi)核使用的磁性材料的鐵損會(huì)增大，導(dǎo)致電力轉(zhuǎn)換器效率降低。因此，安川電機(jī)在電抗器內(nèi)核中采用了稱(chēng)為“Liqualloy”的新磁性材料(圖3)。Liqualloy是非晶合金的一種。特點(diǎn)是擁有與電磁鋼板相當(dāng)?shù)母唢柡痛磐芏?，而且高頻成分的損耗小。Liqualloy是阿爾卑斯綠色器件(Alps Green Devices)公司制造的產(chǎn)品。

圖3：還改善了周邊部件

為縮小電力轉(zhuǎn)換器的尺寸，還改善了周邊部件。例如，照片中的濾波器模塊為了以100kHz驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器電路，與阿爾卑斯綠色器件共同試制了專(zhuān)用電抗器。

此外，為縮小電力轉(zhuǎn)換器的尺寸改變了冷卻方式。由原來(lái)的空冷式變?yōu)橐豪涫?，縮小了電力轉(zhuǎn)換器的冷卻機(jī)構(gòu)。

從2014年開(kāi)始全面采用SiC

在此次發(fā)布試制品之際，安川電機(jī)還宣布計(jì)劃2014年度內(nèi)在該公司的電力轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用SiC功率元件。該公司此前在展會(huì)等上公布過(guò)SiC電力轉(zhuǎn)換器及馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等的研究成果。但此次是第一次明確表示將在實(shí)際產(chǎn)品中采用SiC功率元件。

此次的試制品定位為面向SiC應(yīng)用的“旗艦品”。從器件到控制技術(shù)均采用最高性能水平的產(chǎn)品?！霸谄?chē)中就相當(dāng)于跑車(chē)”(安川電機(jī))。目前尚未確定是否直接投產(chǎn)試制品。安川電機(jī)打算根據(jù)用途區(qū)別使用制造試制品時(shí)培養(yǎng)的技術(shù)，使配備SiC功率元件的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

本文為嗶哥嗶特資訊原創(chuàng)文章，未經(jīng)允許和授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載，否則將嚴(yán)格追究法律責(zé)任；

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