Anwendungen

Die Variable Frequency Drive (VFD) wird in der Industrie und im Automobilbereich weit verbreitet eingesetzt. Die Kerntechnologie ist die Hochfrequenz-Pulsweitenmodulation (PWM) mit Hilfe von Halbleiterschaltern. Hauptsächlich zweistufige Wechselrichter, die bei Schaltfrequenzen im Bereich von 4 bis 16 kHz betrieben werden, erzeugen dreiphasige sinusförmige Grundspannungen oder -ströme zur Ansteuerung von Motoren. Bei Busspannungen von 400 V und darüber dominieren IGBTs die Anwendungen. Mit dem Erscheinen von SiC-MOSFETs mit weiterem Bandabstand zieht deren überlegene Schaltleistungstarheit große Aufmerksamkeit auf die Entwicklung von Motorantrieben auf sich. Ein SiC-MOSFET kann den Schaltverlust um etwa 70 % gegenüber seinen Gegenstücken, den Si-IGBTs, reduzieren oder dieselbe Effizienz bei einer nahezu dreifachen Schaltfrequenz erreichen. SiC-MOSFETs verhalten sich wie ein Widerstand und haben keine PN-Spannungseinbuße der IGBTs, was Leitungsverluste reduziert, insbesondere bei geringen Lasten. Durch höhere PWM-Frequenzen und erreichbare höhere Grundfrequenzen des Motorantriebs kann ein Motor mit einer größeren Polzahl entworfen werden, um die Motorgöße zu verringern. Ein 8-Pol-Motor kann die Größe eines 2-Pol-Motors mit derselben Ausgangsleistung um 40 % reduzieren. Eine hohe Schaltfrequenz ermöglicht eine hochdichte Motordesignierung. Diese Leistungen zeigen ein großes Potenzial von SiC-MOSFETs für Anwendungen in schnellen, effizienten und hochdichten Motorantrieben. Der erfolgreiche Einsatz von SiC-MOSFETs im Tesla Model 3 markierte den Beginn der Ära der SiC-basierten Motorantriebe. Die Tendenz ist stark, dass SiC-MOSFETs die Fahrzeugtraktionssysteme dominiert, insbesondere bei Fahrzeugen mit 800-V-Batterien, und auch im industriellen Hochsegment mehr Marktanteile gewinnen werden.

Um den vollen Nutzen von SiC-MOSFETs auszuschöpfen, sollten die Schaltgeschwindigkeit (dv/dt) und die Schaltfrequenz um ein Vielfaches im Vergleich zu derzeitigen IGBT-basierten Lösungen erhöht werden. Trotz des großen Potenzials von SiC-MOSFETs wird deren Anwendung immer noch durch die aktuelle Motor-Technologie und die Struktur von Antriebssystemen begrenzt. Die meisten Motoren weisen eine hohe Wicklungsspanninduktivität und große parasitäre Kapazitäten auf. Ein Dreiphasenkabel, das einen Motor mit einem Wechselrichter verbindet, bildet im Wesentlichen einen LC-Kreis, wie unten dargestellt. Die hohe dv/dt-Spannung am Ausgang des Wechselrichters kann diesen LC-Kreis erregen und die Spannungsspitzen an den Motoranschlüssen können bis zu doppelt so hoch wie die Ausgangsspannung des Wechselrichters sein. Dies führt zu erheblichem Spannungsschutz für die Motorwicklungen.

Wenn der Wechselrichter direkt am Motor befestigt ist, tritt das Spannungsschwingen im Kabel nicht mehr auf. Die hohe dv/dt-Spannungsänderung würde jedoch direkt auf die Wicklungen übertragen werden, wie unten dargestellt, was den Alterungsprozess der Wicklungen beschleunigen kann. Darüber hinaus kann die hohe dv/dt-Spannung eine Lagerstrominduktion verursachen und zu Lagerabrieb und vorzeitigen Versagen führen.

Ein weiteres potenzielles Problem ist elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Hohe dv/dt- und di/dt-Werte können höhere elektromagnetische Störungen verursachen. Alle Designs müssen diese Effekte sowohl für IGBT- als auch für SiC-basierte Lösungen berücksichtigen.

Um diese Probleme zu mildern, wurden verschiedene Techniken entwickelt. Wenn ein Motor und ein Invertergetriebe getrennt werden müssen, ist ein dv/dt-Kantensfilter oder ein Sinusfilter eine effektive Lösung, aber mit einigen zusätzlichen Kosten. Der Motorenteil selbst hat sich verbessert, seit IGBT-Inverter kommerziell verfügbar sind. Durch bessere isolierte magnetische Drähte und verbesserte Wicklungsstruktur und Abschirmmethoden der Motoren wurde die dv/dt-Behandlungsfähigkeit der Motoren erheblich von einigen V/ns initially auf das Ziel von 40-50V/ns erhöht. SiC-basierte Inverter sind sehr effizient, wobei die Effizienz normalerweise bei 98,5 % bei 40 kHz und 99 % bei 20 kHz liegt. Aufgrund des Antriebsverlustes wird die integrierte Motortriebwerkssteuerung zur realisierbaren und attraktiven Systemlösung, die alle Kabel und Terminalverbindungen eliminiert und die Systemgröße und -kosten reduziert. Vollständig in einen geschlossenen Inverter integriert und Motor ist eine wirksame Methode, um EMI-Ausstrahlung zu reduzieren. Laufwerksstrom kann durch Kurzschließen der Motorschaft zum Stator mit einem geerdeten Feder oder Pinsel umgangen werden. Kompakte, hoch-effiziente, leichte und integrierte Motortriebwerke werden in Industrierobotern, Luft- und Unterwasser-Drohnen usw. weit verbreitet eingesetzt.

Neben der Verkleinerung des Antriebssystems ermöglichen SiC-MOSFETs auch einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb. Hochgeschwindigkeitsantriebe haben im Automobilbau, Luft- und Raumfahrt, in Spindeln, Pumpen und Kompressoren an Bedeutung gewonnen. Hochgeschwindigkeitsantriebe sind für einige der genannten Anwendungen zum Stand der Technik geworden, während sie in einigen Nischenanwendungen die Leistungen und Fähigkeiten hinsichtlich Produktqualität und Produktinnovation verbessert haben.

Integrierte Antriebsanwendungen

Um eine glatte sinusförmige Antriebssteuerung zu gewährleisten, muss die Schaltfrequenz des VFD mindestens 50-mal höher als die Frequenz des Wechselstroms sein. Daher besteht folgender Zusammenhang zwischen Schaltfrequenz, Polpaarzahl und Motorgeschwindigkeit:

f_PWM = 50∙ Pol-Pair ∙ rpm /60

Genauer gesagt, bei einem üblichen 4-Pol-Motor muss f_PWM bei 10 krpm 16,6 kHz betragen, was ungefähr der maximale IGBT-Schaltfrequenz entspricht. Daher werden für jede Motordrehzahl über 10 krpm SiC-MOSFETs zu einer bevorzugten oder einzigen gültigen Option. Um die Leistungsdichte des Motors zu erhöhen, wird normalerweise die Anzahl der Polpaare erhöht, was eine noch höhere PWM-Schaltfrequenz erfordert. Die Anwendung von SiC würde eine neue Runde an Verbesserungen und Innovationen in der Motorengestaltung vorantreiben.