التطبيقات

لقد تم استخدام محرك التردد المتغير (VFD) على نطاق واسع في المجالات الصناعية والسيارات. التقنية الرئيسية هي تعديل عرض النبضة عالي التردد (PWM) باستخدام مفاتيح أشباه الموصلات. تعمل المحولات ذات المستويين بشكل أساسي على تبديل الترددات في نطاق من 4 إلى 16 كيلو هرتز، وتولد الفولتية الأساسية الجيبية ثلاثية الطور أو التيارات لتشغيل المحركات. بالنسبة لجهد الناقل 400 فولت وما فوق، تهيمن IGBTs على التطبيق. مع ظهور وحدات SiC MOSFET ذات فجوة نطاق واسعة، فإن أداء التبديل الفائق للأجهزة يجذب بسرعة اهتمامًا كبيرًا لتطوير محرك المحرك. إن SiC MOSFET قادر على تقليل فقدان التبديل بحوالي 70% من نظيرته Si IGBTs أو تحقيق نفس الكفاءة عند تردد تبديل يقارب 3x. تتصرف دوائر SiC MOSFET مثل المقاوم، وتفتقر إلى انخفاض جهد الوصلة PN الخاص بـ IGBTs، مما يقلل من فقدان التوصيل، خاصة عند الأحمال الخفيفة. مع إمكانية تحقيق ترددات PWM أعلى وترددات أساسية أعلى لمحرك المحرك، يمكن تصميم محرك برقم قطب أكبر لتقليل حجم المحرك. يمكن للمحرك ذي 8 أقطاب تقليل الحجم بنسبة 40% من المحرك ثنائي القطب بنفس طاقة الخرج. يتيح تردد التبديل العالي تصميم محرك عالي الكثافة. يُظهر هذا الأداء إمكانات كبيرة لوحدات SiC MOSFETs في تطبيقات محرك المحركات عالية السرعة والكفاءة والكثافة العالية. كان التطبيق الناجح لوحدات SiC MOSFETs على Tesla Model 2 بمثابة بداية عصر محرك السيارات المعتمد على SiC. هناك ميل قوي إلى أن تهيمن الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (SiC MOSFET) على تطبيقات الجر في السيارات، خاصة في المركبات التي تعمل ببطارية 3 فولت وتكتسب حصة أكبر في التطبيقات الصناعية المتطورة.

للاستفادة الكاملة من مزايا وحدات SiC MOSFETs، يجب رفع سرعة التبديل (dv/dt) وتردد التبديل بترتيب واحد من حيث الحجم أو أكثر من الحلول الحالية المستندة إلى IGBT. على الرغم من الإمكانات الكبيرة التي تتمتع بها دوائر SiC MOSFETs، إلا أن تطبيق الأجهزة لا يزال محدودًا بتكنولوجيا المحرك الحالية وبنية نظام القيادة. تتمتع معظم المحركات بمحاثة ملفوفة عالية وسعة طفيلية كبيرة. يشكل الكابل ثلاثي الطور الذي يربط المحرك بالعاكس بشكل أساسي دائرة LC، كما هو موضح أدناه. يمكن أن يؤدي الجهد العالي dv/dt عند خرج العاكس إلى إثارة دائرة LC ويمكن أن يؤدي ارتفاع الجهد عند أطراف المحرك إلى ضعف جهد خرج العاكس. يضيف ضغط جهد كبير على اللفات المحرك.

عندما يتم توصيل العاكس مباشرة بالمحرك، لا يوجد رنين جهد الكابل بعد الآن. مع ذلك، سيتم تطبيق تغير الجهد العالي dv/dt على الملفات مباشرة كما هو موضح أدناه، مما قد يؤدي إلى تسريع تقادم الملفات. علاوة على ذلك، فإن الجهد العالي dv/dt يمكن أن يحفز تيار المحمل ويسبب تآكل المحمل والفشل المبكر.

هناك مشكلة محتملة أخرى وهي EMI. يمكن أن يؤدي ارتفاع dv/dt و di/dt العالي إلى انبعاث تداخل كهرومغناطيسي أعلى. يجب أن تأخذ جميع التصميمات في الاعتبار هذه التأثيرات لكل من الحلول القائمة على IGBT وSiC.

وللتخفيف من هذه المشكلات، تم تطوير تقنيات مختلفة. إذا كان لا بد من فصل المحرك والمحرك العاكس، فإن مرشح الحافة dv/dt أو المرشح الجيبي يعد حلاً فعالاً، ولكن مع إضافة بعض التكلفة. لقد تحسن تصميم المحرك نفسه منذ أن أصبحت محولات IGBT متاحة تجاريًا. بفضل الأسلاك المغناطيسية المعزولة بشكل أفضل وبنية لف لفائف المحرك المحسنة وطرق التدريع، تم تحسين قدرة التعامل مع dv/dt للمحركات بشكل كبير من عدد قليل من V/ns في البداية وسوف تصل في النهاية إلى الهدف وهو 40-50V/ns. تتميز المحولات المعتمدة على SiC بالكفاءة العالية حيث تصل الكفاءة عادةً إلى 98.5% عند 40 كيلو هرتز و99% عند 20 كيلو هرتز. نظرًا لفقدان السائق، يصبح محرك المحرك المتكامل حلاً ممكنًا وجذابًا للنظام، مما يلغي جميع الكابلات والتوصيلات الطرفية ويقلل من حجم النظام وتكلفته. يعد المحرك والمحرك العاكس المغلقان بالكامل وسيلة فعالة لتقليل انبعاث EMI. يمكن تجاوز تيار المحمل عن طريق تقصير عمود المحرك إلى الجزء الثابت باستخدام زنبرك أو فرشاة مؤرضة. تُستخدم محركات الأقراص المدمجة ذات الكفاءة العالية والوزن المنخفض والمتكاملة على نطاق واسع في الروبوتات الصناعية والطائرات بدون طيار المحمولة جواً وتحت الماء، وما إلى ذلك

إلى جانب تقليل حجم نظام القيادة، تعمل وحدات SiC MOSFET على تمكين القيادة عالية السرعة أيضًا. اكتسبت المحركات عالية السرعة اهتمامًا متزايدًا بالسيارات والفضاء والمغازل والمضخات والضواغط. أصبحت محركات الأقراص عالية السرعة أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا بالنسبة لبعض التطبيقات المذكورة أعلاه بينما في بعض التطبيقات المتخصصة، أدى اعتماد محركات عالية السرعة إلى تحسين الأداء والقدرات من حيث جودة المنتج وابتكار المنتج.

تطبيقات محرك الأقراص المتكاملة

لتوفير محرك جيبي سلس، فإن تردد تبديل VFD يحتاج إلى أن يكون أعلى بـ 50 مرة على الأقل من تردد التيار المتردد. لذلك، فإن تردد التبديل وزوج القطب وسرعة المحرك لها العلاقة التالية:

f_PWM = 50∙ زوج القطب ∙ دورة في الدقيقة /60

على وجه التحديد، بالنسبة لمحرك مشترك رباعي الأقطاب، للوصول إلى 4 كيلو هرتز، يجب أن يكون f_PWM 10 كيلو هرتز، وهو ما يمثل الحد الأقصى لتردد تحويل IGBT. لذلك، بالنسبة لأي سرعة محرك تزيد عن 16.6 كيلو متر في الدقيقة، تصبح وحدات SiC MOSFET هي الخيار المفضل أو الوحيد الصالح. لزيادة كثافة طاقة المحرك، عادةً ما يتم زيادة عدد أزواج الأقطاب، الأمر الذي يتطلب تردد تبديل PWM أعلى. إن تطبيق SiC من شأنه أن يدفع إلى تحسين وابتكار تصميم محرك الجولة الجديدة.