Toepassings

'n Variabel Frekwensie Aandrywer (VFD) word wydverspreid in die industriële en motorsektore gebruik. Die sleuteltegnologie is hoëfrekwensie pulswydtemodulasie (PWM) deur middel van halvoute skakelaars. Hoofsaaklik twee-nivo inverters wat by skakelfrekwensies in die bereik van 4 tot 16 kHz opereer, genereer drie-fase sinusgrondspannings- of strome om motors aan te dryf. Vir busspanning van 400V en hoër domineer IGBT's die toepassing. Met die opkoms van breed-bandgap SiC MOSFET's trek die toestelle se uitstekende skakelvermoë groot aandag vir motoraandrywingontwikkeling. 'n SiC MOSFET kan skakelverliese met ongeveer 70% verminder ten opsigte van sy teenoorgestelde Si IGBT's of dieselfde doeltreffendheid bereik by naby 3x skakelfrekwensie. SiC MOSFET's, wat soos 'n weerstand gedra, het nie die PN-konjunksiedrup van IGBT's nie, wat lei tot verminderde voeringsverliese, veral by ligte belasting. Met hoër PWM frekwensies en hoër grondfrekwensies van motoraandrywing haalbaar, kan 'n motor ontwerp word met 'n groter polgetal om die motorgrootte te verminder. 'n 8-pol motor kan die grootte met 40% verminder van 'n 2-pol motor met dieselfde uitsetmagslewering. Hoë skakelfrekwensie maak hoë digtheid motorontwerp moontlik. Hierdie prestasies wys 'n groot potensiaal van SiC MOSFET's in hoësnelheid, hoëdoeltreffendheid en hoëdigtheid motoraandrywingtoepassings. Die suksesvolle toepassing van SiC MOSFET's in die Tesla Model 3 het die begin gemerk van die SiC-gebaseerde motoraandrywingera. Die tendens is sterk dat SiC MOSFET's dominante rol sal speel in motorvoertuig-traksiotoepassings, veral op 800V batterijvoertuie, en meer aandeel sal verkry in hoë-eind industriële toepassings.

Om die volle voordeel van SiC MOSFETs te benut, moet die skakelsnelheid (dv/dt) en skakelfrequentie met ten minste een orde van grootte verhoog word ten opsigte van huidige IGBT-gebaseerde oplossings. Ten spyte van die groot potensiaal van SiC MOSFETs, word die toepassing daarvan steeds beperk deur huidige motor-tegnologie en drijfstelselstruktuur. Die meeste motors het hoë spoelinginduktansie en groot parastiese kapasiteit. 'n Drie-fase kabel wat 'n motor aan 'n inverter verbind, vorm essentieel 'n LC-kring, soos hieronder getoon. Die hoë dv/dt spanning by die inverteruitset kan die LC-kring aktiveer en die spanningpiek by die motorterminals kan tot sowat tweemaal die inverteruitsetspanning resoneer. Dit plaas beduidende spanningstres op die motorwindinge.

Wanneer die inverter direk aan die motor bevestig word, bestaan katspanningsringeling nie meer nie. Maar, die hoë dv/dt spanningsverandering sal direk op die wondings toegepas word soos hieronder getoon, wat windingouderdom kan versneller. Verder kan die hoë dv/dt spanning 'n draaibare stroom veroorsaak en draaibare afbroeing asook vroegtydige mislukking veroorsaak.

'n Ander moontlike probleem is EMI. Hoë dv/dt en hoë di/dt kan hoër elektromagnetiese stoorsel-uitstoot veroorsaak. Alle ontwerpe moet hierdie effekte in ag neem vir beide IGBT en SiC gebaseerde oplossings.

Om hierdie probleme te verlig, is verskillende tegnieke ontwikkel. As 'n motor en 'n inverter-stuurder geskei moet word, is 'n dv/dt randfilter of sinusoidale filter 'n doeltreffende oplossing, maar met sommige koste toegevoeg. Die ontwerp van die motor self het sedert IGBT-invertere kommersieel beskikbaar geword, verbeter. Deur beter geïsoleerde magneetdraad en verbeterde motor spoelwindingstrukture en skermingsmetodes, is die motor se dv/dt hanteringsvermoë aansienlik verbeter van 'n paar V/ns aanvanklik en sal uiteindelik die doelwit van 40-50V/ns bereik. SiC-gebaseerde invertere is baie doeltreffend met effektiwiteit wat gewoonlik by 98,5% by 40kHz en 99% by 20kHz bereik. Weens die stuurder-verlies, word geïntegreerde motorsturing haalbaar en 'n aantreklike stelseloplossing, wat al die kabele en terminaalverbindinge elimineer en die stelselgrootte en -koste verminder. 'n Volledig ingeslote inverter-stuurder en motor is 'n doeltreffende manier om EMI-emissie te verminder. Draai-stroom kan deur die kortsluiting van die motor se as na die statorklys met 'n aangeslote veer of borsteel omseil word. Kompakte, hoog-effektiewe, lae-gewig en geïntegreerde motorsturing word wydverspreid in industriële robots, lugvaart- en onderwater drones, ens gebruik.

Behalwe die vermindering van storsisteemgrootte, maak SiC MOSFETs hoogsnelheidsdrijwe ook moontlik. Hoogsnelheidsdrijwe het 'n groeiende belangstelling in die motorvoertuig-, lugvaart-, spindels-, pompe- en kompresorbedrywes gewek. Hoogsnelheidsdrijwe is vir sommige van die genoemde toepassings tot staandaard geword, terwyl in sommige nis-toepassings die aanname van hoogsnelheidsdrijwe die prestasies en vaardighede in terme van produk kwaliteit en produk innovasie verbeter het.

Geïntegreerde Drijf Toepassings

Om 'n vloeiende sinusvormige drijf te verskaf, moet die skakelfrequentie van die VFD ten minste 50 keer hoër wees as die AC-stroomfrekwensie. Daarom het skakelfrequentie, polpaar en motor spoed die volgende verhouding:

f_PWM = 50∙ Pol-Paar ∙ toer/min \/60

Nogtans, vir 'n algemene 4-polmotor, om 10 krpm te bereik, moet f_PWM 16,6kHz wees, wat ongeveer die maksimum IGBT-skakelfrequentie is. Daarom word SiC MOSFETs vir enige motor spoed bo 10 krpm 'n voorkeur of die enigste geldige opsie. Om die motor vermoeë digtheid te verhoog, word die polpaar getal gewoonlik verhoog, wat 'n selfs hoër PWM skakelfrequentie vereis. Die toepassing van SiC sou 'n nuwe rondte van motorontwerpverbetering en innovasie aandryf.