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Frequenzumrichter (VFD) werden in der Industrie und im Automobilbereich häufig eingesetzt. Die Schlüsseltechnologie ist die hochfrequente Pulsweitenmodulation (PWM) durch Halbleiterschalter. Hauptsächlich zweistufige Wechselrichter, die mit Schaltfrequenzen im Bereich von 4 bis 16 kHz arbeiten, erzeugen dreiphasige sinusförmige Grundspannungen oder -ströme zum Antrieb von Motoren. Bei Busspannungen von 400 V und mehr dominieren IGBTs die Anwendung. Mit dem Aufkommen von SiC-MOSFETs mit großem Bandabstand erregt die überlegene Schaltleistung der Geräte schnell große Aufmerksamkeit bei der Entwicklung von Motorantrieben. Ein SiC-MOSFET kann den Schaltverlust um etwa 70 % gegenüber seinen Si-IGBT-Gegenstücken reduzieren oder die gleiche Effizienz bei nahezu der dreifachen Schaltfrequenz erreichen. SiC-MOSFETs, die sich wie ein Widerstand verhalten, weisen keinen Spannungsabfall an der PN-Verbindung von IGBTs auf, was den Leitungsverlust insbesondere bei geringer Last reduziert. Mit höheren PWM-Frequenzen und höheren erreichbaren Grundfrequenzen des Motorantriebs kann ein Motor mit einer größeren Polzahl konstruiert werden, um die Motorgröße zu reduzieren. Ein 3-poliger Motor kann bei gleicher Ausgangsleistung um 8 % kleiner sein als ein 40-poliger Motor. Eine hohe Schaltfrequenz ermöglicht ein hochdichtes Motordesign. Diese Leistungen zeigen das große Potenzial von SiC-MOSFETs bei Hochgeschwindigkeits-, Hocheffizienz- und hochdichten Motorantriebsanwendungen. Der erfolgreiche Einsatz von SiC-MOSFETs im Tesla Model 2 markierte den Beginn der Ära der SiC-basierten Motorantriebe. Es ist stark zu erwarten, dass SiC-MOSFETs die Antriebsanwendungen im Automobilbereich dominieren werden, insbesondere bei Fahrzeugen mit 3-V-Batterien, und bei industriellen High-End-Anwendungen einen größeren Anteil gewinnen werden.

Um den Nutzen von SiC-MOSFETs voll auszuschöpfen, müssen Schaltgeschwindigkeit (dv/dt) und Schaltfrequenz im Vergleich zu aktuellen IGBT-basierten Lösungen um eine Größenordnung oder mehr erhöht werden. Trotz des großen Potenzials von SiC-MOSFETs ist die Anwendung der Geräte immer noch durch die aktuelle Motortechnologie und Antriebssystemstruktur begrenzt. Die meisten Motoren haben eine hohe Wicklungsinduktivität und große parasitäre Kapazität. Ein dreiphasiges Kabel, das einen Motor mit einem Wechselrichter verbindet, bildet im Wesentlichen einen LC-Schaltkreis, wie unten gezeigt. Die hohe dv/dt-Spannung am Wechselrichterausgang kann den LC-Schaltkreis erregen und die Spannungsspitze an den Motoranschlüssen kann bis zum Doppelten der Wechselrichterausgangsspannung betragen. Dies führt zu einer erheblichen Spannungsbelastung der Motorwicklungen.

Wenn der Wechselrichter direkt an den Motor angeschlossen ist, gibt es kein Überschwingen der Kabelspannung mehr. Die hohe dv/dt-Spannungsänderung würde jedoch wie unten dargestellt direkt auf die Wicklungen wirken, was die Wicklungsalterung beschleunigen kann. Darüber hinaus kann die hohe dv/dt-Spannung einen Lagerstrom induzieren und Lagererosion und vorzeitigen Ausfall verursachen.

Ein weiteres potenzielles Problem ist die elektromagnetische Störung. Hohe dv/dt- und di/dt-Werte können zu einer höheren elektromagnetischen Störaussendung führen. Alle Designs müssen diese Effekte sowohl bei IGBT- als auch bei SiC-basierten Lösungen berücksichtigen.

Um diese Probleme zu mildern, wurden verschiedene Techniken entwickelt. Wenn ein Motor und ein Wechselrichtertreiber getrennt werden müssen, ist ein dv/dt-Kantenfilter oder Sinusfilter eine effektive Lösung, allerdings mit einigen Zusatzkosten. Das Motordesign selbst wurde verbessert, seit IGBT-Wechselrichter kommerziell erhältlich sind. Mit besser isolierten Magnetdrähten und verbesserter Motorwicklungsstruktur und Abschirmmethoden wurde die dv/dt-Handhabungsfähigkeit von Motoren von anfänglich einigen V/ns erheblich verbessert und wird schließlich das Ziel von 40-50 V/ns erreichen. SiC-basierte Wechselrichter sind sehr effizient, wobei die Effizienz normalerweise 98.5 % bei 40 kHz und 99 % bei 20 kHz erreicht. Aufgrund des Treiberverlusts wird ein integrierter Motorantrieb möglich und eine attraktive Systemlösung, die alle Kabel und Klemmenverbindungen eliminiert und Systemgröße und -kosten reduziert. Ein vollständig geschlossener Wechselrichtertreiber und Motor ist eine effektive Möglichkeit, EMI-Emissionen zu reduzieren. Der Lagerstrom kann umgangen werden, indem die Motorwelle mit einer geerdeten Feder oder Bürste zum Stator kurzgeschlossen wird. Kompakte, hocheffiziente, leichte und integrierte Motorantriebe werden häufig in Industrierobotern, Luft- und Unterwasserdrohnen usw. eingesetzt.

Neben der Reduzierung der Antriebssystemgröße ermöglichen SiC-MOSFETs auch Hochgeschwindigkeitsantriebe. Hochgeschwindigkeitsantriebe erfreuen sich in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie bei Spindeln, Pumpen und Kompressoren wachsender Beliebtheit. Hochgeschwindigkeitsantriebe sind für einige der oben genannten Anwendungen zum Stand der Technik geworden, während in einigen Nischenanwendungen die Einführung von Hochgeschwindigkeitsantrieben die Leistung und die Fähigkeiten in Bezug auf Produktqualität und Produktinnovation verbessert hat.

Integrierte Antriebsanwendungen

Um einen gleichmäßigen sinusförmigen Antrieb zu gewährleisten, muss die VFD-Schaltfrequenz mindestens 50-mal höher sein als die Wechselstromfrequenz. Daher besteht zwischen Schaltfrequenz, Polpaarzahl und Motordrehzahl folgende Beziehung:

f_PWM = 50∙ Polpaarzahl ∙ U/min /60

Um 4 U/min zu erreichen, muss f_PWM bei einem herkömmlichen 10-Pol-Motor 16.6 kHz betragen, was ungefähr der maximalen IGBT-Schaltfrequenz entspricht. Daher sind SiC-MOSFETs bei jeder Motordrehzahl über 10 U/min die bevorzugte oder einzig gültige Option. Um die Leistungsdichte des Motors zu erhöhen, wird normalerweise die Polpaarzahl erhöht, was eine noch höhere PWM-Schaltfrequenz erfordert. Der Einsatz von SiC würde eine neue Runde der Verbesserung und Innovation des Motordesigns vorantreiben.