التطبيقات

استُخدمت وحدة التحكم بتردد متغير (VFD) بشكل واسع في المجالات الصناعية والسيارات. التكنولوجيا الرئيسية تعتمد على تعديل عرض النبضة ذات التردد العالي باستخدام مفاتيح شبه موصلة (PWM). بشكل أساسي، يتم تشغيل العاكسات ذات المستويين عند ترددات تبديل تتراوح بين 4 إلى 16 كيلوهرتز لتوليد جهود أو تيارات ثلاثية الطور ذات أساس سينوسي لتشغيل المحركات. بالنسبة لجهد الحافلة 400 فولت وما فوق، فإن IGBTs هي المهيمنة في التطبيقات. ومع ظهور SiC MOSFETs ذات الفجوة العريضة، جذبت أداء التبديل المتميز لهذه الأجهزة انتباهًا كبيرًا في تطوير تشغيل المحركات. يمكن لـ SiC MOSFET تقليل خسارة التبديل بنسبة حوالي 70% مقارنة بنظيرتها من IGBTs السيليكونية أو تحقيق نفس الكفاءة عند تردد تبديل يقارب ثلاثة أضعاف. يتصرف SiC MOSFET مثل مقاومة، ولا يحتوي على انخفاض الجهد في الاتصال PN الموجود في IGBTs، مما يقلل من خسارة التوصيل، خاصةً تحت الأحمال الخفيفة. مع إمكانية تحقيق ترددات PWM الأعلى وترددات الأساس الأعلى لتشغيل المحركات، يمكن تصميم محرك بعدد أكبر من الأقطاب لتقليل حجمه. يمكن لمحرك ذي ثمانية أقطاب أن يقلل من حجمه بنسبة 40% مقارنة بمحرك ذي قطبين بنفس القوة الإخراجية. يمكّن التردد العالي للتبديل من تصميم محركات عالية الكثافة. هذه الأداءات تظهر إمكانيات كبيرة لـ SiC MOSFETs في تطبيقات تشغيل المحركات ذات السرعة العالية، الكفاءة العالية، وكثافة عالية. علامة نجاح تطبيق SiC MOSFETs كانت في سيارة تسلا موديل 3، مما علّم بداية عصر تشغيل المحركات المستند إلى SiC. الاتجاه قوي بأن SiC MOSFETs ستسيطر على تطبيقات السحب السيارات، خاصةً في المركبات ذات البطاريات 800 فولت والحصول على حصة أكبر في التطبيقات الصناعية المتقدمة.

للاستفادة الكاملة من فوائد موسفتس SiC، يجب رفع سرعة التبديل (dv/dt) وتكرار التبديل بمقدار عشري أو أكثر مقارنة بالحلول الحالية المستندة إلى IGBT. على الرغم من الإمكانات الكبيرة لموسفتات SiC، لا تزال تطبيقات هذه الأجهزة مقيدة بالتكنولوجيا الحالية لمحركات السيارات وبنية نظام القيادة. تحتوي معظم المحركات على استجمام عالي في ملفاتها وسعة طفيلية كبيرة. يشكل كابل ثلاثي الطور الذي يربط المحرك بالمقلوب عملياً دائرة LC، كما هو موضح أدناه. يمكن للجهد ذي السرعة العالية dv/dt عند خرج المقلوب أن يثير الدائرة LC، ويمكن أن يصل ارتداد الجهد عند طرفي المحرك إلى ضعف جهد خرج المقلوب تقريباً. وهذا يضيف ضغطاً كبيراً على ملفات المحرك.

عندما يكون العاكس مرتبطًا مباشرة بالمحرك، لا يعود هناك تذبذب في جهد الكابل. ومع ذلك، فإن التغير السريع في الجهد (dv/dt) سيُطبق مباشرة على اللفائف كما هو موضح أدناه، مما يمكن أن يسرع من شيخوخة اللفائف. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يولد الجهد العالي dv/dt تيار محامل ويتسبب في تآكل المحامل وفشل مبكر.

مشكلة محتملة أخرى هي الإشارة الكهرومغناطيسية (EMI). يمكن أن يؤدي dv/dt العالي وdi/dt العالي إلى إنتاج انبعاثات اضطراب كهرومغناطيسي أعلى. يجب أخذ هذه التأثيرات بعين الاعتبار في جميع التصاميم لكل من الحلول المستندة إلى IGBT و SiC.

للتخفيف من هذه المشكلات، تم تطوير تقنيات مختلفة. إذا كان يجب فصل المحرك ووحدة القيادة العكسية، فإن مرشح حافة dv/dt أو مرشح جيبي يكون حلاً فعالاً، ولكنه يضيف بعض التكلفة. لقد تحسنت تصميمات المحركات منذ أن أصبحت مُحَوِّلات IGBT متاحة تجاريًا. مع أسلاك مغناطيسية معزولة بشكل أفضل وتحسين بنية لفائف المحرك والطرق المانعة للتشويش، تحسنت قدرة المحركات على التعامل مع dv/dt بشكل كبير من بضعة V/ns في البداية، وسيتم الوصول في النهاية إلى هدف 40-50V/ns. إن مُحَوِّلات SiC فعالة للغاية حيث يصل الكفاءة عادةً إلى 98.5% عند 40kHz و99% عند 20kHz. بسبب خسارة التشغيل، أصبحت وحدة تشغيل المحرك المتكاملة خيارًا ممكنًا وجذابًا كحل نظامي، مما يزيل جميع الكابلات والاتصالات النهائية ويقلل من حجم النظام وتكلفته. يعتبر إغلاق كامل لوحدة القيادة العكسية والمحرك طريقة فعالة لتقليل انبعاثات EMI. يمكن تجاوز تيار الدعم عن طريق ربط محور المحرك بالجزء الثابت باستخدام ربيع أو فرشاة أرضية. يتم استخدام وحدات تشغيل المحركات المدمجة ذات الحجم الصغير والكفاءة العالية والوزن الخفيف على نطاق واسع في الروبوتات الصناعية، والطائرات بدون طيار الجوية والمائية، وما إلى ذلك.

بالإضافة إلى تقليل حجم نظام القيادة، فإن معززات SiC MOSFET تتيح أيضًا القيادة بسرعات عالية. قد اكتسبت القيادة بسرعات عالية اهتمامًا متزايدًا في مجالات السيارات، والطيران، والمراوح، والمضخات والمحابس. أصبحت القيادة بسرعات عالية معيارًا رئيسيًا لبعض التطبيقات المذكورة أعلاه، بينما في بعض التطبيقات المتخصصة، قد ساهم استخدام القيادة بسرعات عالية في تحسين الأداء والقدرات من حيث جودة المنتج وابتكار المنتج.

تطبيقات القيادة المتكاملة

لتقديم قيادة جيبية ناعمة، يجب أن يكون تردد التبديل لجهاز VFD على الأقل 50 مرة أعلى من تردد التيار المتردد. لذلك، فإن العلاقة بين تردد التبديل، عدد أزواج القطب، وسرعة المحرك هي كالتالي:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

أي أنه بالنسبة لمحرك شائع بـ 4 أقطاب، للوصول إلى 10 كيلو دورة في الدقيقة، يحتاج تردد f_PWM أن يكون 16.6 كيلوهرتز، وهو تقريبًا الحد الأقصى لتردد التبديل لعناصر IGBT. لذلك، لأي سرعة محرك تتجاوز 10 كيلو دورة في الدقيقة، تصبح عناصر SiC MOSFET الخيار المفضل أو الوحيد-valid. لزيادة كثافة قوة المحرك، يتم عادةً زيادة عدد أزواج الأقطاب، مما يتطلب تردد تبديل PWM أعلى حتى. تطبيق SiC سيحفز جولة جديدة من تحسينات وابتكارات تصميم المحرك.