Εφαρμογές

Ο Τροπικός Μεταγωγέας Συχνότητας (VFD) έχει ευρεία χρήση στους βιομηχανικούς και αυτοκινητιστικούς τομείς. Η κλειδιά τεχνολογία είναι η υψηλή συχνότητα διαμόδια μόνιμης πλάτης (PWM) με τη χρήση πληθυντών που λειτουργούν ως πληθυντικά κλειδιά. Κυρίως, οι διφορούμενοι μετατροπείς δύο επιπέδων που λειτουργούν σε συχνότητες κλειδώνσης στο διάστημα 4 έως 16 kHz παράγουν τριφασικές αμοιβαίως γραμμικές βασικές άρρησης ή ρεύματα για να κινούν κινητήρες. Για βολτικότητα καταδεξιού 400V και πάνω, τα IGBTs κυριαρχούν στις εφαρμογές. Με την εμφάνιση των SiC MOSFETs με εύρος υψηλής συχνότητας, οι επιτελεστικές ικανότητες κλειδώνσης των συσκευών έχουν αποκτήσει μεγάλη προσοχή στην ανάπτυξη κινητήρων. Ένα SiC MOSFET μπορεί να μειώσει τις απώλειες κλειδώνσης κατά περίπου 70% σε σύγκριση με τα αντίστοιχα Si IGBTs ή να επιτύχει την ίδια αποδοτικότητα σε σχεδόν τριπλάσια συχνότητα κλειδώνσης. Οι SiC MOSFETs, που συμπεριφέρονται όπως έναν ρεοστάτη, δεν έχουν την έλλειψη υποθεσμίας έντασης PN των IGBTs, που μειώνει τις απώλειες διεξαγωγής, ειδικά σε ελαφρά φορτία. Με υψηλότερες συχνότητες PWM και υψηλότερες βασικές συχνότητες κινητήρα, ένας κινητήρας μπορεί να σχεδιαστεί με μεγαλύτερο αριθμό πόλων για να μειωθεί η μέγεθος του κινητήρα. Ένας κινητήρας με 8 πόλους μπορεί να μειώσει το μέγεθος κατά 40% σε σύγκριση με έναν κινητήρα με 2 πόλους με την ίδια εξόδουσα δύναμη. Η υψηλή συχνότητα κλειδώνσης επιτρέπει σχεδιασμό κινητήρων με υψηλή πυκνότητα. Αυτές οι επιτελεστικότητες δείχνουν μεγάλο δυναμικό των SiC MOSFETs σε εφαρμογές κινητήρων με υψηλή ταχύτητα, υψηλή αποδοτικότητα και υψηλή πυκνότητα. Η επιτυχής εφαρμογή των SiC MOSFETs στο Tesla Model 3 σημείωσε την έναρξη της εποχής των κινητήρων με βάση SiC. Η τάση είναι ισχυρή ότι οι SiC MOSFETs θα κυριαρχήσουν στις εφαρμογές τρακτιβής στα αυτοκίνητα, ειδικά σε οχήματα με μπαταρίες 800V και θα κερδίσουν περισσότερο μερίδιο στις υψηλότερες βιομηχανικές εφαρμογές.

Για να εκμεταλλευθούμε πλήρως το πλεονέκτημα των SiC MOSFETs, η ταχύτητα μεταβολής (dv/dt) και η συχνότητα μετάβασης θα πρέπει να αυξηθούν κατά μία τάξη μεγέθους ή περισσότερα από τις σημερινές λύσεις με βάση IGBT. Παρά το μεγάλο δυναμικό των SiC MOSFETs, η εφαρμογή των συσκευών παραμένει περιορισμένη από τη σημερινή τεχνολογία κινητήρων και τη δομή του συστήματος οδηγών. Οι περισσότερες μηχανές έχουν υψηλή ινδουκτιβότητα στις περιβολές και μεγάλη παρασίτη ικανότητα. Ένας τριφασικός καλώδιας που συνδέει έναν κινητήρα με έναν μετατροπέα δημιουργεί ουσιαστικά ένα κύκλωμα LC, όπως φαίνεται παρακάτω. Η υψηλή τιμή dv/dt στην έξοδο του μετατροπέα μπορεί να ενεργοποιήσει το κύκλωμα LC και ο ηλεκτρικός κύμας που παρατηρείται στα τερματικά του κινητήρα μπορεί να φθάσει σε διπλάσια την άμεση άλμα της άλμης της έξοδου του μετατροπέα. Αυτό προσθέτει σημαντική ηλεκτρική πίεση στις περιβολές του κινητήρα.

Όταν ο αντιστροφευστής είναι άμεσα συνδεδεμένος με τον μοτόρα, η φωνητική ένταση των καλών δεν υπάρχει πλέον. Ωστόσο, η υψηλή αλλαγή έντασης dv/dt θα εφαρμοστεί άμεσα στα ανεμισμούς όπως εμφανίζεται κάτω, που μπορεί να επιταχύνει τη γήρανση των ανεμισμών. Επιπλέον, η υψηλή αλλαγή έντασης dv/dt μπορεί να παράγει έναν ροφή στα βάρα και να προκαλέσει εξόδωση και πρόωρη αποτυχία των βάρων.

Ένα άλλο δυνατό πρόβλημα είναι η ΗΛΑ (ηλεκτρομαγνητική δια拢οράση). Η υψηλή dv/dt και η υψηλή di/dt μπορούν να παράγουν υψηλότερη ηλεκτρομαγνητική δια拢οράση. Όλες οι σχεδιάσεις πρέπει να λαμβάνουν υπόψη αυτές τις επιδράσεις για τις λύσεις με βάση και IGBT και SiC.

Για να μειωθούν αυτά τα προβλήματα, έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές. Εάν ένας μοτόρας και ένας υπολογιστής επεξεργαστή αντιστροφών πρέπει να χωριστούν, ένα φίλτρο dv/dt ή ένα φίλτρο συνημιτονικό είναι αποτελεσματική λύση, αλλά με κάποιο πρόσθετο κόστος. Η ίδια η σχεδιασμός του μοτόρα έχει βελτιωθεί από τότε που οι αντιστρόφοι IGBT έγιναν εμπορικά διαθέσιμοι. Με καλύτερα απομαγνητισμένα μαγνητικά κλωστά και βελτιωμένη δομή κατασπίρασης και μεθόδους ασπάραγμα, η ικανότητα χειρισμού dv/dt των μοτόρων έχει βελτιωθεί σημαντικά από μερικά V/ns αρχικά και θα φτάσει τελικά στον στόχο των 40-50V/ns. Οι αντιστρόφοι με βάση SiC είναι πολύ αποτελεσματικοί με αποτελεσματικότητα που συνήθως φτάνει το 98,5% στα 40kHz και 99% στα 20kHz. Λόγω των αποβολών του υπολογιστή, η ολοκληρωμένη οδηγία μοτόρα είναι εφικτή και μια ελκυστική συστημική λύση, η οποία αφαιρεί όλα τα καλώδια και τις συνδέσεις τερματισμού και μειώνει το μέγεθος και το κόστος του συστήματος. Το πλήρως κλειστό σύστημα υπολογιστή και μοτόρα είναι μια αποτελεσματική λύση για τη μείωση της ΕΜΑ εκπομπής. Το ρεύμα του αξόνα μπορεί να περιφέρεται συνδέοντας τον αξόνα του μοτόρα με τον στατόρα με ένα έδαφος με ένα έλατο ή ένα χαμογελάδι. Κομπακτοί, υψηλής αποτελεσματικότητας, με χαμηλό βάρος και ολοκληρωμένοι μοτόρες οδήγησης χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικούς ρομπότες, αεροφόρα και υποθαλάσσια δρόνα κλπ.

Εκτός από τη μείωση του μεγέθους του συστήματος οδήγησης, οι SiC MOSFETs επιτρέπουν επίσης υψηλή ταχύτητα οδήγησης. Οι κινητήρες με υψηλή ταχύτητα έχουν διαφοροποιηθεί με αυξανόμενο ενδιαφέρον στα αυτοκίνητα, την αεροναυπηγική, τις βροχάνες, τις πόμπες και τις συμπιέστρικες. Οι κινητήρες με υψηλή ταχύτητα έχουν γίνει κανονική πρακτική για μερικές από τις παραπάνω εφαρμογές, ενώ σε μερικές ειδικές εφαρμογές, η υιοθέτηση κινητήρων με υψηλή ταχύτητα έχει βελτιώσει τις αποδόσεις και τις δυνατότητες ως προς την ποιότητα και την καινοτομία του προϊόντος.

Εντεγραμμένες Εφαρμογές Οδήγησης

Για να προσφερθεί μια ομαλή ημιτονική οδήγηση, η συχνότητα κατάρριψης VFD πρέπει να είναι τουλάχιστον 50 φορές μεγαλύτερη από τη συχνότητα τροχαίας τροφής. Έτσι, η συχνότητα κατάρριψης, το ζευγάρι πόλων και η ταχύτητα του κινητήρα έχουν την εξής σχέση:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

Συγκεκριμένα, για έναν συνηθισμένο μоторό 4-πόλων, για να φτάσει στα 10 χιλιάδες επαναλήψεις ανά λεπτό (krpm), το f_PWM πρέπει να είναι 16,6kHz, που είναι περίπου η μέγιστη συχνότητα κατάρριψης IGBT. Επομένως, για κάθε ταχύτητα μоторού άνω των 10 krpm, οι SiC MOSFETs γίνονται η προτιμώμενη ή μόνη έγκυρη επιλογή. Για να αυξηθεί η μεγάλη καθοδικότητα δυνάμεως του μоторά, ο αριθμός των ζευγών πόλων αυξάνεται συνήθως, πράγμα που απαιτεί ακόμη υψηλότερη συχνότητα κατάρριψης PWM. Η εφαρμογή του SiC θα προκαλέσει μια νέα γύρα βελτιώσεων και καινοτομιών στην σχεδίαση των μоторών.