Applications

L'invertisseur de fréquence variable (VFD) est largement utilisé dans les secteurs industriels et automobile. La technologie clé repose sur la modulation d'impulsion en largeur à haute fréquence (PWM) utilisant des interrupteurs semiconducteurs. Principalement, les inversesurs à deux niveaux fonctionnant à des fréquences d'interruption comprises entre 4 et 16 kHz génèrent des tensions ou courants fondamentaux sinusoïdaux triphasés pour actionner les moteurs. Pour une tension de ligne de 400 V et plus, les IGBT dominent les applications. Avec l'émergence des transistors SiC MOSFET à large bande interdite, les performances supérieures de commutation de ces dispositifs attirent rapidement l'attention sur le développement des systèmes de commande de moteurs. Un transistor SiC MOSFET peut réduire les pertes de commutation d'environ 70 % par rapport à son homologue IGBT au silicium ou atteindre la même efficacité à une fréquence de commutation presque trois fois supérieure. Les transistors SiC MOSFET, qui se comportent comme des résistances, ne présentent pas la chute de tension du joint PN des IGBT, ce qui réduit les pertes de conduction, surtout sous faibles charges. Avec des fréquences PWM plus élevées et des fréquences fondamentales plus élevées des systèmes de commande de moteurs, un moteur peut être conçu avec un nombre de pôles plus important pour réduire sa taille. Un moteur à 8 pôles peut réduire sa taille de 40 % par rapport à un moteur à 2 pôles avec la même puissance de sortie. Une fréquence de commutation élevée permet un design de moteur à haute densité. Ces performances montrent un grand potentiel des transistors SiC MOSFET dans les applications de commande de moteurs à haute vitesse, haute efficacité et haute densité. L'application réussie des transistors SiC MOSFET dans le Tesla Model 3 a marqué le début de l'ère des systèmes de commande de moteurs basés sur le SiC. La tendance est forte que les transistors SiC MOSFET dominent les applications de traction automobile, en particulier sur les véhicules à batterie 800 V, et gagnent davantage de parts sur les applications industrielles haut de gamme.

Pour exploiter pleinement les avantages des MOSFET en SiC, la vitesse de commutation (dv/dt) et la fréquence de commutation doivent être augmentées d'un facteur d'au moins un ordre de grandeur par rapport aux solutions actuelles basées sur les IGBT. Malgré le grand potentiel des MOSFET en SiC, leur application est encore limitée par la technologie moteur actuelle et la structure du système de commande. La plupart des moteurs ont une grande inductance de bobinage et une grande capacité parasite. Un câble triphasé connectant un moteur à un onduleur forme essentiellement un circuit LC, comme indiqué ci-dessous. La tension élevée dv/dt à la sortie de l'onduleur peut exciter le circuit LC et l'onde de tension aux bornes du moteur peut atteindre jusqu'à deux fois la tension de sortie de l'onduleur. Cela ajoute une contrainte de tension significative sur les enroulements du moteur.

Lorsque l'on connecte l'inverseur directement au moteur, les oscillations de tension du câble disparaissent. Cependant, le changement de tension élevé dv/dt sera appliqué directement aux enroulements, comme illustré ci-dessous, ce qui peut accélérer le vieillissement des enroulements. De plus, la tension élevée dv/dt peut induire un courant dans les roulements et provoquer une usure ainsi qu'une panne prématurée des roulements.

Un autre problème potentiel est le BRI. Un dv/dt élevé et un di/dt élevé peuvent induire une émission accrue d'interférences électromagnétiques. Toutes les conceptions doivent prendre en compte ces effets, que ce soit pour les solutions à base d'IGBT ou de SiC.

Pour atténuer ces problèmes, différentes techniques ont été développées. Si un moteur et un variateur de vitesse doivent être séparés, un filtre à bord dv/dt ou un filtre sinusoïdal est une solution efficace, mais avec un coût supplémentaire. La conception même du moteur s'est améliorée depuis que les variateurs IGBT sont devenus commercialement disponibles. Grâce à des fils magnétiques mieux isolés et à une structure d'enroulement et à des méthodes de blindage améliorées, la capacité de gestion dv/dt des moteurs s'est considérablement améliorée, passant de quelques V/ns initialement pour atteindre l'objectif final de 40-50V/ns. Les variateurs basés sur le SiC sont très efficaces, avec une efficacité qui atteint généralement 98,5 % à 40 kHz et 99 % à 20 kHz. En raison des pertes du variateur, l'intégration du système de commande devient réalisable et constitue une solution systémique attractive, éliminant tous les câbles et les connexions aux bornes, réduisant ainsi la taille et le coût du système. Un variateur et un moteur entièrement encapsulés sont un moyen efficace de réduire les émissions d'EMI. Le courant de roulement peut être contourné en reliant la tige du moteur au stator via un ressort ou un balai au sol. Des systèmes de commande de moteurs compacts, hautement efficaces et légers sont largement utilisés dans les robots industriels, les drones aériens et sous-marins, etc.

Outre la réduction de la taille du système de transmission, les MOSFETs en SiC permettent également une commande à haute vitesse. Les systèmes à haute vitesse suscitent un intérêt croissant dans les domaines automobile, aérospatial, des broches, des pompes et des compresseurs. Les systèmes à haute vitesse sont devenus l'état de l'art pour certaines des applications mentionnées ci-dessus, tandis que dans certaines applications de niche, l'adoption de systèmes à haute vitesse a amélioré les performances et les capacités en termes de qualité et d'innovation des produits.

Applications de Commande Intégrée

Pour fournir une commande sinusoïdale fluide, la fréquence d'interruption du VFD doit être au moins 50 fois supérieure à la fréquence du courant alternatif. Par conséquent, la fréquence d'interruption, le nombre de paires de pôles et la vitesse du moteur ont la relation suivante :

f_PWM = 50∙ Nombre-de-Paires-de-Pôles ∙ tr/min /60

Plus précisément, pour un moteur à 4 pôles courant, pour atteindre 10 krpm, f_PWM doit être de 16,6 kHz, ce qui correspond environ à la fréquence maximale de commutation des IGBT. Par conséquent, pour toute vitesse de moteur supérieure à 10 krpm, les SiC MOSFET deviennent une option préférée ou la seule solution valable. Pour augmenter la densité de puissance du moteur, le nombre de paires de pôles est généralement augmenté, ce qui nécessite une fréquence de commutation PWM encore plus élevée. L'application du SiC propulserait une nouvelle vague d'améliorations et d'innovations dans la conception des moteurs.