درخواست ها

دستگاه تنظیم فرکانس متغیر (VFD) به طور گسترده‌ای در حوزه‌های صنعتی و خودرو استفاده می‌شود. فناوری کلیدی این دستگاه، مدولاسیون عرض پالس با فرکانس بالا (PWM) با استفاده از سوئیچ‌های نیمه‌رسانا است. معکوس‌کننده‌های دو سطحی اصلی که در فرکانس‌های سوئیچینگ بین 4 تا 16 کیلوهرتز عمل می‌کنند، ولتاژ‌های سینوسی اساسی سه‌فازی یا جریان‌ها را برای راندن موتورها تولید می‌کنند. برای ولتاژ خطی 400 ولت و بالاتر، IGBT‌ها در کاربردها غالب هستند. با ظهور MOSFET‌های SiC با فاصله باند گسترده، عملکرد سوئیچینگ برجسته این دستگاه‌ها توجه زیادی را به توسعه راننده‌های موتور جلب کرده است. یک MOSFET SiC قادر است ضریب ازدیاد سوئیچینگ را حدود 70٪ نسبت به IGBT‌های سیلیکونی معمولی کاهش دهد یا کارایی مشابهی را در فرکانس سوئیچینگ نزدیک به سه برابر داشته باشد. MOSFET‌های SiC که مثل مقاومت رفتار می‌کنند، از عدم وجود کاهش ولتاژ ژنتور IGBT‌ها برخوردار هستند که این موضوع از ضریب ازدیاد رسانش کاهش می‌دهد، به ویژه در بارهای کم. با فرکانس‌های PWM بالاتر و قابلیت دستیابی به فرکانس‌های اساسی بالاتر در راننده موتور، می‌توان موتوری با تعداد قطب بیشتر طراحی کرد تا اندازه موتور کاهش یابد. یک موتور 8 قطبی می‌تواند اندازه خود را نسبت به یک موتور 2 قطبی با همان توان خروجی به میزان 40٪ کاهش دهد. فرکانس سوئیچینگ بالا، طراحی چگالی بالا موتور را ممکن می‌سازد. این عملکردها پتانسیل زیادی را برای کاربردهای موتور با سرعت بالا، کارایی بالا و چگالی بالا نشان می‌دهند. کاربرد موفق MOSFET‌های SiC در تسلا مدل 3 شروع دورانی از کاربردهای موتور مبتنی بر SiC را نشان داد. روند قوی‌ای وجود دارد که MOSFET‌های SiC کاربردهای جذب کننده خودرو، به ویژه در وسایل نقلیه با باتری 800 ولت و در کاربردهای صنعتی پیشرفته بیشتر مشارکت خواهند کرد.

برای استفاده کامل از مزیت ترانزیستورهای SiC MOSFET، سرعت سوئیچینگ (dv/dt) و فرکانس سوئیچینگ باید حداقل یک مرتبه مagnitude بیشتر از راه‌حل‌های مبتنی بر IGBT فعلی افزایش یابد. با وجود پتانسیل عالی ترانزیستورهای SiC MOSFET، کاربرد این دستگاه‌ها هنوز توسط فناوری موتور فعلی و ساختار سیستم درایو محدود شده است. بیشتر موتورها دارای بالاپیچش بادهای الکتریکی و ظرفیت پارازیت بزرگ هستند. کابل سه فاز متصل به موتور و انورتر اساساً یک مدار LC تشکیل می‌دهد، همانطور که در زیر نشان داده شده است. ولتاژ dv/dt بالا در خروجی انورتر می‌تواند مدار LC را تحریک کند و ولتاژ اسپایک در ترمینال‌های موتور ممکن است دو برابر ولتاژ خروجی انورتر نوسان کند. این موضوع تنش ولتاژ قابل توجهی را بر روی بادهای موتور ایجاد می‌کند.

هنگامی که وارون‌کننده به صورت مستقیم به موتور متصل است، اثر نوسان ولتاژ کابل دیگر وجود ندارد. با این حال، تغییر ولتاژ سریع dv/dt به طور مستقیم به بادپرها اعمال می‌شود، همانطور که در زیر نشان داده شده است، که می‌تواند از رشد سن بادپرها تسریع کند. علاوه بر این، ولتاژ بالای dv/dt می‌تواند جریان دسته‌ای را القا کند و منجر به فرسایش و شکستگی زودرس دسته شود.

مشکل پتانسیل دیگر EMI (اختلال الکترومغناطیسی) است. dv/dt و di/dt بالا می‌توانند تولید اختلال الکترومغناطیسی بیشتری را القا کنند. تمام طراحی‌ها باید این اثرات را هم برای راه‌حل‌های مبتنی بر IGBT و هم برای راه‌حل‌های مبتنی بر SiC در نظر بگیرند.

برای کاهش این مشکلات، تکنیک‌های مختلفی توسعه داده شده است. اگر یک موتور و راننده انویرتر باید از هم جدا شوند، فیلتر لبه dv/dt یا فیلتر سینوسی راه‌حل مؤثری است، اما با هزینه‌ای اضافی. خود طراحی موتور نیز از زمانی که انویرترهای IGBT به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت، بهبود یافته است. با استفاده از سیم‌های مغناطیسی بهتر عایق‌شده و بهبود ساختار پیچیده موتور و روش‌های جداسازی، توانایی مقابله با dv/dt موتورها به طور قابل توجهی از چند V/ns اولیه بهبود یافته و در نهایت به هدف 40-50V/ns خواهد رسید. انویرترهای مبتنی بر SiC بسیار کارآمد هستند و کارایی آن‌ها معمولاً در فرکانس 40kHz به 98.5% و در 20kHz به 99% می‌رسد. به دلیل از دست دادن راننده، راننده یکپارچه موتور امکان‌پذیر و یک راه‌حل سیستمی جذاب می‌شود که تمام کابل‌ها و اتصالات ترمینال را حذف می‌کند و اندازه و هزینه سیستم را کاهش می‌دهد. انویرتر راننده کاملاً بسته و موتور راه‌حل مؤثری برای کاهش انتشار EMI است. جریان محور می‌تواند با وصل کردن محور موتور به ستاتور با استفاده از فنر یا فرش زمینی کوتاه شود. راندهای موتوری فشرده، کارآمد بالا، وزن کم و یکپارچه به طور گسترده در ربات‌های صنعتی، درون‌روها و دریایی‌های هوایی استفاده می‌شوند.

به علاوه کاهش اندازه سیستم راننده، ترانزیستورهای SiC MOSFET نیز امکان راندمان با سرعت بالا را فراهم می‌کنند. راندمان‌های با سرعت بالا علاقه‌مندی رو به رشد در صنایع خودرو، فضایی، چرخ‌های مرکزی، پمپ و فشرده‌کن ها دارند. راندمان‌های با سرعت بالا برای برخی از کاربردهای ذکر شده، حالت پیشرفته شده‌اند، در حالی که در برخی کاربردهای نiche، استفاده از راندمان‌های با سرعت بالا عملکرد و توانایی‌ها را از لحاظ کیفیت محصول و نوآوری محصول افزایش داده است.

کاربردهای راننده یکپارچه

برای ارائه یک رانش سینوسی هموار، باید فرکانس جابجایی VFD حداقل 50 برابر فرکانس جریان AC باشد. بنابراین، رابطه بین فرکانس جابجایی، زوج قطب و سرعت موتور به شکل زیر است:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

به طور خاص، برای موتور چهار قطبی معمولی، برای رسیدن به سرعت ۱۰ کیلو دور در دقیقه، f_PWM باید ۱۶٫۶ کیلوهرتز باشد، که تقریباً حداکثر فرکانس جابجایی IGBT است. بنابراین، برای هر سرعت موتور بالاتر از ۱۰ کیلو دور در دقیقه، Tranzistor‌های SiC MOSFET گزینه مورد علاقه یا تنها گزینه معتبر می‌شوند. برای افزایش چگالی توان موتور، معمولاً تعداد جفت قطب افزایش می‌یابد، که نیاز به فرکانس جابجایی PWM بالاتری دارد. کاربرد SiC یک گردش جدید از بهبود و نوآوری در طراحی موتور را شتاب خواهد داد.