Aplicaciones

El variador de frecuencia (VFD) se ha utilizado ampliamente en áreas industriales y automotrices. La tecnología clave es la modulación de ancho de pulso (PWM) de alta frecuencia mediante el uso de interruptores semiconductores. Principalmente los inversores de dos niveles que funcionan a frecuencias de conmutación en el rango de 4 a 16 kHz generan tensiones o corrientes fundamentales sinusoidales trifásicas para accionar motores. Para voltajes de bus de 400 V y superiores, los IGBT dominan la aplicación. Con la aparición de los MOSFET de SiC de banda ancha, el rendimiento de conmutación superior de los dispositivos rápidamente atrae gran atención en el desarrollo de accionamientos de motores. Un MOSFET de SiC es capaz de reducir la pérdida de conmutación en aproximadamente un 70 % en comparación con sus IGBT de Si homólogos o lograr la misma eficiencia con una frecuencia de conmutación cercana a 3 veces mayor. Los MOSFET de SiC, al comportarse como una resistencia, carecen de la caída de voltaje en la unión PN de los IGBT, lo que reduce la pérdida de conducción, especialmente en cargas ligeras. Con frecuencias PWM más altas y frecuencias fundamentales de accionamiento del motor más altas que se pueden lograr, se puede diseñar un motor con un número de polos mayor para reducir el tamaño del motor. Un motor de 8 polos puede reducir el tamaño en un 40% que un motor de 2 polos con la misma potencia de salida. La alta frecuencia de conmutación permite un diseño de motor de alta densidad. Estos rendimientos muestran un gran potencial de los MOSFET de SiC en aplicaciones de accionamiento de motores de alta velocidad, alta eficiencia y alta densidad. La aplicación exitosa de los MOSFET de SiC en el Tesla Model 3 marcó el comienzo de la era de los motores basados ​​en SiC. Es fuerte la tendencia de que los MOSFET de SiC dominen las aplicaciones de tracción automotriz, especialmente en vehículos con batería de 800 V, y ganen más participación en aplicaciones industriales de alta gama.

Para aprovechar al máximo los beneficios de los MOSFET de SiC, la velocidad de conmutación (dv/dt) y la frecuencia de conmutación deben aumentarse en un orden de magnitud o más con respecto a las soluciones actuales basadas en IGBT. A pesar del gran potencial de los MOSFET de SiC, la aplicación de los dispositivos todavía está limitada por la tecnología de motor actual y la estructura del sistema de accionamiento. La mayoría de los motores tienen una alta inductancia de devanado y una gran capacitancia parásita. Un cable trifásico que conecta un motor a un inversor forma esencialmente un circuito LC, como se muestra a continuación. El alto voltaje dv/dt en la salida del inversor puede excitar el circuito LC y el pico de voltaje en los terminales del motor podría sonar hasta el doble del voltaje de salida del inversor. Agrega una tensión de voltaje significativa en los devanados del motor.

Cuando el inversor está conectado directamente al motor, el zumbido de voltaje del cable ya no existe. Sin embargo, el alto cambio de voltaje dv/dt se aplicaría directamente a los devanados como se muestra a continuación, lo que puede acelerar el envejecimiento de los devanados. Además, el alto voltaje dv/dt puede inducir una corriente en el rodamiento y causar erosión y falla prematura.

Otro problema potencial es la EMI. Altos dv/dt y altos di/dt pueden inducir una mayor emisión de interferencias electromagnéticas. Todos los diseños deben tener en cuenta estos efectos tanto para soluciones basadas en IGBT como en SiC.

Para mitigar estos problemas, se han desarrollado diferentes técnicas. Si es necesario separar un motor y un controlador inversor, un filtro de borde dv/dt o un filtro sinusoidal es una solución eficaz, pero con cierto coste añadido. El diseño del motor en sí ha ido mejorando desde que los inversores IGBT estuvieron disponibles comercialmente. Con cables magnéticos mejor aislados y una estructura de bobinado de motor y métodos de blindaje mejorados, la capacidad de manejo de dv/dt de los motores ha mejorado sustancialmente desde unos pocos V/ns inicialmente y eventualmente alcanzará el objetivo de 40-50 V/ns. Los inversores basados ​​en SiC son muy eficientes, alcanzando una eficiencia que suele alcanzar el 98.5 % a 40 kHz y el 99 % a 20 kHz. Debido a la pérdida del controlador, el accionamiento del motor integrado se vuelve factible y una solución de sistema atractiva, que elimina todos los cables y conexiones de terminales y reduce el tamaño y el costo del sistema. El controlador y el motor del inversor completamente cerrados son una forma eficaz de reducir las emisiones EMI. La corriente del cojinete se puede evitar poniendo en cortocircuito el eje del motor con el estator con un resorte o una escobilla conectados a tierra. Los motores integrados, compactos, altamente eficientes y de bajo peso se utilizan ampliamente en robots industriales, drones aéreos y submarinos, etc.

Además de la reducción del tamaño del sistema de accionamiento, los MOSFET de SiC también permiten un accionamiento de alta velocidad. Los accionamientos de alta velocidad han despertado un interés creciente en los sectores de la automoción, la industria aeroespacial, los husillos, las bombas y los compresores. Los variadores de alta velocidad se han convertido en lo último en algunas de las aplicaciones antes mencionadas, mientras que en algunas aplicaciones específicas, la adopción de variadores de alta velocidad ha mejorado el rendimiento y las capacidades en términos de calidad e innovación del producto.

Aplicaciones de accionamiento integrado

Para proporcionar un accionamiento sinusoidal suave, la frecuencia de conmutación del VFD debe ser al menos 50 veces mayor que la frecuencia de la corriente alterna. Por tanto, la frecuencia de conmutación, el par de polos y la velocidad del motor tienen la siguiente relación:

f_PWM = 50∙ Par de polos ∙ rpm /60

Es decir, para que un motor común de 4 polos alcance 10 krpm, f_PWM debe ser de 16.6 kHz, que es aproximadamente la frecuencia de conmutación máxima de IGBT. Por lo tanto, para cualquier velocidad de motor superior a 10 krpm, los MOSFET de SiC se convierten en una opción preferida o la única válida. Para aumentar la densidad de potencia del motor, generalmente se aumenta el número de pares de polos, lo que requiere una frecuencia de conmutación PWM aún mayor. La aplicación de SiC impulsaría la innovación y la mejora del diseño de motores de una nueva ronda.