Applikationer Danmark

Variable Frequency Drive (VFD) er blevet meget brugt i industri- og bilindustrien. Nøgleteknologien er højfrekvent pulsbreddemodulation (PWM) ved brug af halvlederkontakter. Hovedsageligt to-niveau invertere, der arbejder ved koblingsfrekvenser i området fra 4 til 16 kHz, genererer trefasede sinusformede grundspændinger eller strømme til at drive motorer. For 400V og derover busspænding dominerer IGBT'er applikationen. Med fremkomsten af ​​wide-bandgape SiC MOSFET'er tiltrækker enhedernes overlegne switchydeevne hurtigt stor opmærksomhed på udviklingen af ​​motordrev. En SiC MOSFET er i stand til at reducere koblingstabet med omkring 70 % af sine modstykke Si IGBT'er eller opnå den samme effektivitet ved næsten 3x koblingsfrekvens. SiC MOSFET'er, der opfører sig som en modstand, mangel på IGBT's PN-junction spændingsfald, hvilket reducerer ledningstab, især ved lette belastninger. Med højere PWM-frekvenser og højere motordrevs grundlæggende frekvenser opnåelige, kan en motor designes med et større polnummer for at reducere motorstørrelsen. En 8-polet motor kan reducere størrelsen med 40 % af en 2-polet motor med samme udgangseffekt. Høj koblingsfrekvens muliggør motordesign med høj tæthed. Disse ydeevner viser et stort potentiale for SiC MOSFET'er på højhastigheds-, højeffektivitets- og højdensitetsmotordrevapplikationer. Den vellykkede anvendelse af SiC MOSFET'er på Tesla Model 3 markerede begyndelsen på den SiC-baserede motordrev-æra. Tendensen er stærk til, at SiC MOSFET'er vil dominere trækkraftapplikationer i biler, især på 800V batterikøretøjer og vinde større andel på industrielle high-end applikationer.

For fuldt ud at udnytte fordelen ved SiC MOSFET'er bør omskiftningshastigheden (dv/dt) og omskiftningsfrekvensen hæves med en størrelsesorden eller mere fra nuværende IGBT-baserede løsninger. På trods af det store potentiale i SiC MOSFET'er er enhedernes anvendelse stadig begrænset af den nuværende motorteknologi og drivsystemstruktur. De fleste motorer har høj viklingsinduktans og stor parasitisk kapacitans. Et trefaset kabel, der forbinder en motor til en inverter, danner i det væsentlige et LC-kredsløb, som vist nedenfor. Den høje dv/dt-spænding ved inverterens udgang kan excitere LC-kredsløbet, og spændingsspidsen ved motorterminalerne kan ringe så meget som to gange af inverterens udgangsspænding. Det tilføjer betydelig spændingsbelastning på motorviklingerne.

Når inverteren er direkte forbundet til motoren, eksisterer der ikke længere kabelspændingsringning. Imidlertid vil den høje dv/dt-spændingsændring blive påført viklingerne direkte som vist nedenfor, hvilket kan accelerere viklingsældning. Ydermere kan den høje dv/dt-spænding inducere en lejestrøm og forårsage lejeerosion og for tidlig fejl.

Et andet potentielt problem er EMI. Høj dv/dt og høj di/dt kan inducere højere elektromagnetisk interferens emission. Alle designs skal tage højde for disse effekter for både IGBT- og SiC-baserede løsninger.

For at afbøde disse problemer er der udviklet forskellige teknikker. Hvis en motor og en inverterdriver skal adskilles, er et dv/dt kantfilter eller sinusformet filter en effektiv løsning, men med nogle omkostninger. Selve motordesignet er blevet forbedret, siden IGBT-invertere blev kommercielt tilgængelige. Med bedre isolerede magnetiske ledninger og forbedret motorspoleviklingsstruktur og afskærmningsmetoder er motorernes dv/dt-håndteringsevne blevet væsentligt forbedret fra et par V/ns i starten, og det vil i sidste ende nå målet på 40-50V/ns. SiC-baserede invertere er meget effektive med effektivitet, der normalt når 98.5 % ved 40 kHz og 99 % ved 20 kHz. På grund af drivertabet bliver integreret motordrev mulig og en attraktiv systemløsning, som eliminerer alle kabler og terminalforbindelser og reducerer systemstørrelse og -omkostninger. Fuldt lukket inverterdriver og motor er en effektiv måde at reducere EMI-emission på. Lejestrøm kan omgås ved at kortslutte motorens aksel til stator med en jordet fjeder eller børste. Kompakte højeffektive, lavvægts og integrerede motordrev er meget udbredt i industrirobotter, luftbårne og undervandsdroner osv.

Udover reduktion af drevsystemets størrelse, muliggør SiC MOSFET'er også højhastighedsdrev. Højhastighedsdrev har fået en voksende interesse for bilindustrien, rumfart, spindler, pumper og kompressorer. Højhastighedsdrev er blevet state-of-the-art for nogle af de førnævnte applikationer, mens anvendelsen af ​​højhastighedsdrev i nogle nicheapplikationer har forbedret ydeevnen og mulighederne med hensyn til produktkvalitet og produktinnovation.

Integrerede drevapplikationer

For at give et jævnt sinusformet drev skal VFD-omskiftningsfrekvensen være mindst 50 gange højere end vekselstrømsfrekvensen. Derfor har koblingsfrekvens, polpar og motorhastighed følgende forhold:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

For at en almindelig 4-polet motor skal nå 10 krpm, skal f_PWM nemlig være 16.6 kHz, hvilket svarer til den maksimale IGBT-switchfrekvens. For enhver motorhastighed over 10 krpm bliver SiC MOSFET'er derfor en foretrukken eller eneste gyldig mulighed. For at øge motoreffekttætheden øges pol-partallet normalt, hvilket kræver en endnu højere PWM-omskiftningsfrekvens. Anvendelsen af ​​SiC ville fremskynde en ny rundes motordesignforbedring og innovation.