Ansøgninger

Variable Frequency Drive (VFD) anvendes bredt i industrielle og automobilområder. Den vigtige teknologi er højfrekvens pulse width modulation (PWM) ved hjælp af halvlederskifter. Hovedsagelig to-niveau-invertere, der opererer på skiftfrekvenser i området 4 til 16 kHz, genererer tre-fase sinusfundeamentale spændinger eller strømme til at køre motorer. For bus-spændinger på 400V og højere dominerer IGBT'er applikationen. Med fremkomsten af brede-bandlücke SiC MOSFET'er trækker enhedernes fremragende skiftydelse stor opmærksomhed i udviklingen af motorstyring. En SiC MOSFET kan reducere skifttab i omegnen af 70% i forhold til dens modstykke Si IGBT'er eller opnå den samme effektivitet ved næsten 3x skiftfrekvens. SiC MOSFET'er opfører sig som en modstand, uden IGBT'ernes PN-konduktionsafslag, hvilket reducerer konduktionstab, især ved lette belastninger. Ved højere PWM-frekvenser og højere fundamentalfrekvenser for motorstyringen kan en motor designes med flere poler for at reducere motorens størrelse. En 8-pol-motor kan reducere størrelsen med 40% i forhold til en 2-pol-motor med samme outputeffekt. Høj skiftfrekvens gør det muligt at designe kompakte motorer. Disse ydelser viser et stort potentiale for SiC MOSFET'er inden for højhastigheds-, høj-effektivitets- og høj-densitetsmotorapplikationer. Den succesfulde applikation af SiC MOSFET'er i Tesla Model 3 markerede begyndelsen på eraen for SiC-baseret motorstyring. Tendensen er stærk for, at SiC MOSFET'er vil dominere automobil-traction-applikationer, særlig på 800V batteri-fordøgningsbiler og få større andel på høj-end-industrielle applikationer.

For at udnytte fuldt ud fordelene ved SiC MOSFET'er, bør skiftehastighed (dv/dt) og skiftefrekvens hæves med et ordensgrænse eller mere i forhold til de nuværende IGBT-baserede løsninger. Trods de store potentiale ved SiC MOSFET'er, er enhedernes anvendelse stadig begrænset af den nuværende motor- og drevsystemsteknologi. De fleste motorer har høj spoleinduktans og stor parasitisk kapacitet. En tre-fase kabel, der forbinder en motor med en inverter, danner praktisk taget en LC-cirkuit, som vist nedenfor. Den høje dv/dt-spenning ved inverterens output kan stimulere LC-cirkuiten, og spændingsstød ved motorens terminaler kan svinge op mod dobbelt så meget som inverterens outputspænding. Dette lægger betydelig spændingsstress på motorens spoler.

Når inverteren er direkte tilsluttet motoren, eksisterer spændingsringning i kablet ikke længere. Imidlertid vil den høje dv/dt-spændingsændring blive anvendt på tråde direkte som vist nedenfor, hvilket kan accelerere trådens forældelse. Desuden kan den høje dv/dt-spænding inducere en skæftstrøm og forårsage skæftskader og for tidlig fejl.

En anden potentiel problem er EMI. Høj dv/dt og høj di/dt kan inducere større elektromagnetisk interferensudsendelse. Alle design skal tage højde for disse effekter for både IGBT- og SiC-baserede løsninger.

For at mindske disse problemer er forskellige teknikker blevet udviklet. Hvis en motor og en inverterdriver skal adskilles, er en dv/dt-kantfilter eller et sinusfilter en effektiv løsning, men med nogen tilføjet omkostning. Motordesignet selv har været under forbedring siden IGBT-invertere blev kommercialiseret. Med bedre isolerede magnetiske tråde og forbedret motorstolsvindingstruktur og skærmingsmetoder har motorens dv/dt-håndteringskapacitet været forbedret betydeligt fra nogle få V/ns i starten, og den vil til sidst nå målet på 40-50V/ns. SiC-baserede invertere er meget effektive med en effektivitet, der normalt når 98,5% ved 40kHz og 99% ved 20kHz. På grund af drivere tab, bliver integreret motordrive mulig og en attraktiv systemløsning, hvilket eliminerer alle kabler og terminalforbindelser og reducerer systemets størrelse og omkostninger. Fullt indkapslet inverterdriver og motor er en effektiv måde at reducere EMI-udsendelse. Skærmstrøm kan omgås ved at forbinde motorens akse til stator med en jordet fedder eller børste. Kompakte, høj-effektive, letvejende og integrerede motordrives bruges vidt og bredt i industrirobotter, luftbårne og under vand droner mv.

Udover reduktion af størrelsen på drivsystemet gør SiC MOSFET'er det også muligt at køre med høj hastighed. Høj hastighedsdrivere har vundet et voksende interesse inden for automobil-, luftfart, spindel, pumpe og kompressorbranchen. Høj hastighedsdrivere er blevet state of the art for nogle af de ovennævnte anvendelser, mens i nogle niche-anvendelser har implementeringen af høj hastighedsdrivere forbedret ydeevnen og kapaciteten i forhold til produktkvalitet og produktinnovation.

Integrerede Drivningsanvendelser

For at sikre en jævn sinusformet drift, skal VFD-skiftningsfrekvensen være mindst 50 gange højere end AC-strøm frekvensen. Derfor har skiftningsfrekvens, polpar og motordrehastighed følgende relation:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

Specifikt, for en almindelig 4-pol motor, for at nå 10 krpm, skal f_PWM være 16,6kHz, hvilket er omkring den maksimale IGBT-skiftfrekvens. Derfor bliver SiC MOSFET'er for enhver motorhastighed over 10 krpm et foretrukket eller eneste gyldigt valg. For at øge motorens effekttæthed øges antallet af polpar normalt, hvilket kræver endnu højere PWM-skiftfrekvens. Anvendelsen af SiC ville fremme en ny runde inden for forbedring og innovation af motor design.