आवेदन

चर आवृत्ति ड्राइव (VFD) का उपयोग औद्योगिक और मोटर क्षेत्रों में बहुत फैला हुआ है। प्रमुख प्रौद्योगिकी अर्धचालक स्विच का उपयोग करके उच्च आवृत्ति पल्स चौड़ाई मॉडुलेशन (PWM) है। मुख्य रूप से दो-स्तरीय इनवर्टर 4 से 16 kHz आवृत्ति की श्रेणी में स्विचिंग करते हैं, जो तीन-फेज साइनसाइडल मूल वोल्टेज या धारा प्रदान करते हैं जिससे मोटर चलती है। 400V और उससे अधिक बस वोल्टेज के लिए, IGBTs अनुप्रयोग में प्रमुख हैं। चौड़े बैंडगैप SiC MOSFETs के उदय के साथ, युक्तियों की उत्कृष्ट स्विचिंग क्षमता मोटर ड्राइव विकास पर बहुत ध्यान आकर्षित करती है। SiC MOSFET अपने सामान Si IGBTs की तुलना में स्विचिंग खपत को लगभग 70% कम कर सकता है या लगभग 3x स्विचिंग आवृत्ति पर समान कुशलता प्राप्त कर सकता है। SiC MOSFETs, प्रतिरोध की तरह व्यवहार करते हैं, IGBTs के PN जंक्शन वोल्टेज ड्रॉप की कमी के कारण, चालन खपत को कम करते हैं, विशेष रूप से हल्की भार पर। उच्च PWM आवृत्तियों और मोटर ड्राइव की उच्च मूल आवृत्तियों को प्राप्त करने के साथ, मोटर को बड़ी ध्रुव संख्या के साथ डिज़ाइन किया जा सकता है जिससे मोटर का आकार कम होता है। समान आउटपुट पावर के साथ, एक 8-ध्रुव मोटर का आकार एक 2-ध्रुव मोटर की तुलना में 40% कम हो सकता है। उच्च स्विचिंग आवृत्ति उच्च घनत्व मोटर डिज़ाइन को सक्षम बनाती है। ये प्रदर्शन SiC MOSFETs के उच्च-गति, उच्च कुशलता और उच्च घनत्व मोटर ड्राइव अनुप्रयोगों में बड़ी क्षमता दिखाते हैं। Tesla Model 3 पर SiC MOSFETs का सफल अनुप्रयोग SiC-आधारित मोटर ड्राइव युग की शुरुआत चिह्नित करता है। झुकाव मजबूत है कि SiC MOSFETs कार ट्रैक्शन अनुप्रयोगों पर अधिकाधिक व्यापक होंगे, विशेष रूप से 800V बैटरी वाहनों पर और औद्योगिक उच्च-अंतिम अनुप्रयोगों में अधिक हिस्सा प्राप्त करेंगे।

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) MOSFETs के लाभ का पूरी तरह से फायदेमंद उपयोग करने के लिए, स्विचिंग गति (dv/dt) और स्विचिंग आवृत्ति को मौजूदा IGBT-आधारित समाधानों से एक क्रम या अधिक बढ़ाया जाना चाहिए। SiC MOSFETs के बढ़िया संभावनाओं के बावजूद, डिवाइसों के अनुप्रयोग को मौजूदा मोटर प्रौद्योगिकी और ड्राइव प्रणाली की संरचना सीमित करता है। अधिकांश मोटरों में उच्च वायन्डिंग इंडक्टेंस और बड़ी पैरासाइटिक क्षमता होती है। मोटर को इन्वर्टर से जोड़ने वाला एक तीन-फेज केबल मूल रूप से एक LC परिपथ बनाता है, जैसा कि नीचे दिखाया गया है। इन्वर्टर आउटपुट पर उच्च dv/dt वोल्टेज LC परिपथ को उत्तेजित कर सकता है और मोटर टर्मिनल पर वोल्टेज स्पाइक इन्वर्टर आउटपुट वोल्टेज के दोगुने तक घूम सकता है। यह मोटर वायन्डिंग पर महत्वपूर्ण वोल्टेज तनाव जोड़ता है।

जब इन्वर्टर को सीधे मोटर से जोड़ा जाता है, केबल वोल्टेज रिंगिंग फिर से नहीं होता है। हालांकि, उच्च dv/dt वोल्टेज परिवर्तन को चालक तंतुओं पर सीधे लागू किया जाएगा, जैसा कि नीचे चित्रित किया गया है, जो चालक की उम्र को तेजी से बढ़ा सकता है। इसके अलावा, उच्च dv/dt वोल्टेज बेयरिंग करंट को उत्पन्न कर सकता है और बेयरिंग की सहनशीलता को कम कर सकता है और प्रारंभिक विफलता का कारण बन सकता है।

एक और संभावित समस्या EMI है। उच्च dv/dt और उच्च di/dt अधिक विद्युतचुम्बकीय अवरोध उत्सर्जन का कारण बन सकते हैं। सभी डिजाइन IGBT और SiC आधारित समाधानों के लिए इन प्रभावों को ध्यान में रखना चाहिए।

इन मुद्दों को कम करने के लिए, विभिन्न तकनीकों का विकास हुआ है। यदि किसी मोटर और इनवर्टर ड्राइवर को अलग किया जाना है, तो एक dv/dt एज फिल्टर या साइनसोइडल फिल्टर प्रभावी समाधान है, लेकिन इससे कुछ खर्च बढ़ जाता है। मोटर डिज़ाइन स्वयं उत्पादन के बाद से बेहतर हो रहा है। बेहतर इन्सुलेटेड मैग्नेटिक तारों और मोटर कोइल वाइंडिंग संरचना और शील्डिंग विधियों के साथ, मोटरों की dv/dt का बढ़ावा शुरू में कुछ V/ns से अब 40-50V/ns तक पहुंचने के लक्ष्य तक बढ़ गया है। SiC-आधारित इनवर्टर बहुत कुशल हैं, जिनकी कुशलता 40kHz पर सामान्यतः 98.5% और 20kHz पर 99% तक पहुंच जाती है। ड्राइवर की हानि के कारण, एकीकृत मोटर ड्राइव संभव और आकर्षक प्रणाली समाधान बन गया है, जो सभी केबल और टर्मिनल कनेक्शन को खत्म करता है और प्रणाली का आकार और खर्च कम करता है। पूरी तरह से बंद इनवर्टर ड्राइवर और मोटर EMI उत्सर्जन को कम करने का प्रभावी तरीका है। बियरिंग करंट को एक जमीन किए गए स्प्रिंग या ब्रश के साथ मोटर के शाफ्ट को स्टेटर से जोड़कर बायपास किया जा सकता है। संक्षिप्त, उच्च-कुशलता, कम-वजन और एकीकृत मोटर ड्राइव औद्योगिक रोबोट, हवाई और तह-सागरीय ड्रोन्स आदि में व्यापक रूप से उपयोग में लाए जाते हैं।

ड्राइव सिस्टम के आकार को कम करने के अलावा, SiC MOSFETs को उच्च गति ड्राइव की सक्षम बनाने में मदद करते हैं। ऑटोमोबाइल, एयरोस्पेस, स्पिंडल, पंप और कम्प्रेसर में उच्च गति ड्राइव का दिन पर दिन बढ़ता हुआ रुचि का केंद्र बन रहा है। कुछ ऐसे अनुप्रयोगों में उच्च गति ड्राइव ने प्रदर्शन और क्षमता में सुधार किया है, जिससे उत्पाद की गुणवत्ता और उत्पाद नवाचार में सुधार हुआ है।

इंटीग्रेटेड ड्राइव एप्लिकेशन

एक सुचारु साइनसोइडल ड्राइव प्रदान करने के लिए, VFD स्विचिंग फ्रीक्वेंसी ac विद्युत धारा की आवृत्ति से कम से कम 50 गुना अधिक होनी चाहिए। इसलिए, स्विचिंग फ्रीक्वेंसी, पोल-पेयर और मोटर गति के बीच निम्न संबंध है:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

उदाहरण के लिए, एक सामान्य 4-पोल मोटर के लिए, 10 क्रपीम पहुंचने के लिए, f_PWM को 16.6kHz होना आवश्यक है, जो IGBT स्विचिंग आवृत्ति की अधिकतम सीमा है। इसलिए, 10 क्रपीम से अधिक किसी भी मोटर गति के लिए, SiC MOSFETs एक पसंदीदा या एकमात्र मान्य विकल्प बन जाते हैं। मोटर पावर डेंसिटी को बढ़ाने के लिए, पोल-पेयर संख्या को आमतौर पर बढ़ाया जाता है, जिससे अधिक उच्च PWM स्विचिंग आवृत्ति की आवश्यकता होती है। SiC का अनुप्रयोग मोटर डिज़ाइन में नई सुधार और चालाकता को आगे बढ़ाएगा।