अनुप्रयोगों भारत

वैरिएबल फ़्रीक्वेंसी ड्राइव (VFD) का औद्योगिक और ऑटोमोटिव क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। मुख्य तकनीक सेमीकंडक्टर स्विच का उपयोग करके उच्च आवृत्ति पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेशन (PWM) है। मुख्य रूप से 4 से 16 kHz की सीमा में स्विचिंग आवृत्तियों पर काम करने वाले दो-स्तरीय इनवर्टर मोटरों को चलाने के लिए तीन-चरण साइनसोइडल मौलिक वोल्टेज या धाराएँ उत्पन्न करते हैं। 400V और उससे अधिक बस वोल्टेज के लिए, IGBTs अनुप्रयोग पर हावी हैं। वाइड-बैंडगैप SiC MOSFETs के उद्भव के साथ, डिवाइस का बेहतर स्विचिंग प्रदर्शन जल्दी से मोटर ड्राइव विकास पर बहुत ध्यान आकर्षित करता है। एक SiC MOSFET अपने समकक्ष Si IGBTs के लगभग 70% तक स्विचिंग हानि को कम करने में सक्षम है या लगभग 3x स्विचिंग आवृत्ति पर समान दक्षता प्राप्त करता है। SiC MOSFETs, एक प्रतिरोधक की तरह व्यवहार करते हैं, IGBTs के PN जंक्शन वोल्टेज ड्रॉप की कमी होती है, जो विशेष रूप से हल्के भार पर चालन हानि को कम करता है। उच्च PWM आवृत्तियों और उच्च मोटर ड्राइव की मूल आवृत्तियों को प्राप्त करने के साथ, मोटर का आकार कम करने के लिए एक मोटर को एक बड़े पोल नंबर के साथ डिज़ाइन किया जा सकता है। एक 8-पोल मोटर समान आउटपुट पावर के साथ 40-पोल मोटर के आकार को 2% तक कम कर सकती है। उच्च स्विचिंग आवृत्ति उच्च घनत्व मोटर डिजाइन को सक्षम बनाती है। ये प्रदर्शन उच्च गति, उच्च दक्षता और उच्च घनत्व मोटर ड्राइव अनुप्रयोगों पर SiC MOSFETs की एक बड़ी क्षमता दिखाते हैं। टेस्ला मॉडल 3 पर SiC MOSFETs के सफल अनुप्रयोग ने SiC-आधारित मोटर ड्राइव युग की शुरुआत को चिह्नित किया। यह प्रवृत्ति मजबूत है कि SiC MOSFETs ऑटोमोटिव ट्रैक्शन अनुप्रयोगों पर हावी होंगे, विशेष रूप से 800V बैटरी वाहनों पर और औद्योगिक उच्च-अंत अनुप्रयोगों पर अधिक हिस्सेदारी हासिल करेंगे।

SiC MOSFETs के लाभ का पूरा लाभ उठाने के लिए, स्विचिंग गति (dv/dt) और स्विचिंग आवृत्ति को वर्तमान IGBT-आधारित समाधानों से एक क्रम या उससे अधिक परिमाण तक बढ़ाया जाना चाहिए। SiC MOSFETs की महान क्षमता के बावजूद, उपकरणों का अनुप्रयोग अभी भी वर्तमान मोटर प्रौद्योगिकी और ड्राइव सिस्टम संरचना द्वारा सीमित है। अधिकांश मोटरों में उच्च वाइंडिंग इंडक्टेंस और बड़ी परजीवी धारिता होती है। एक मोटर को इन्वर्टर से जोड़ने वाला एक तीन-चरण केबल अनिवार्य रूप से एक LC सर्किट बनाता है, जैसा कि नीचे दिखाया गया है। इन्वर्टर आउटपुट पर उच्च dv/dt वोल्टेज LC सर्किट को उत्तेजित कर सकता है और मोटर टर्मिनलों पर वोल्टेज स्पाइक इन्वर्टर आउटपुट वोल्टेज के दोगुने तक बज सकता है। यह मोटर वाइंडिंग पर महत्वपूर्ण वोल्टेज तनाव जोड़ता है।

जब इन्वर्टर सीधे मोटर से जुड़ा होता है, तो केबल वोल्टेज रिंगिंग अब मौजूद नहीं होती है। हालाँकि, उच्च dv/dt वोल्टेज परिवर्तन सीधे वाइंडिंग पर लागू होगा जैसा कि नीचे दर्शाया गया है, जो वाइंडिंग की उम्र बढ़ने में तेजी ला सकता है। इसके अलावा, उच्च dv/dt वोल्टेज एक बियरिंग करंट को प्रेरित कर सकता है और बियरिंग क्षरण और समय से पहले विफलता का कारण बन सकता है।

एक और संभावित मुद्दा EMI है। उच्च dv/dt और उच्च di/dt उच्च विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप उत्सर्जन को प्रेरित कर सकते हैं। सभी डिज़ाइनों को IGBT और SiC आधारित समाधानों दोनों के लिए इन प्रभावों को ध्यान में रखना चाहिए।

इन समस्याओं को कम करने के लिए, विभिन्न तकनीकों का विकास किया गया है। यदि मोटर और इन्वर्टर ड्राइवर को अलग करना है, तो dv/dt एज फ़िल्टर या साइनसॉइडल फ़िल्टर एक प्रभावी समाधान है, लेकिन इसमें कुछ लागत जुड़ती है। IGBT इन्वर्टर के व्यावसायिक रूप से उपलब्ध होने के बाद से मोटर डिज़ाइन में सुधार हो रहा है। बेहतर इंसुलेटेड चुंबकीय तारों और बेहतर मोटर कॉइल वाइंडिंग संरचना और परिरक्षण विधियों के साथ, मोटरों की dv/dt हैंडलिंग क्षमता में कुछ V/ns से शुरू में काफी सुधार हुआ है और यह अंततः 40-50V/ns के लक्ष्य तक पहुँच जाएगी। SiC-आधारित इन्वर्टर बहुत कुशल होते हैं, जिनकी दक्षता आमतौर पर 98.5kHz पर 40% और 99kHz पर 20% तक पहुँचती है। ड्राइवर के नुकसान के कारण, एकीकृत मोटर ड्राइव व्यवहार्य और एक आकर्षक सिस्टम समाधान बन जाता है, जो सभी केबल और टर्मिनल कनेक्शन को समाप्त करता है और सिस्टम के आकार और लागत को कम करता है। पूरी तरह से संलग्न इन्वर्टर ड्राइवर और मोटर EMI उत्सर्जन को कम करने का एक प्रभावी तरीका है। मोटर के शाफ्ट को ग्राउंडेड स्प्रिंग या ब्रश से स्टेटर से शॉर्ट करके बियरिंग करंट को बायपास किया जा सकता है। कॉम्पैक्ट अत्यधिक कुशल, कम वजन और एकीकृत मोटर ड्राइव का व्यापक रूप से औद्योगिक रोबोट, हवाई और पानी के नीचे के ड्रोन आदि में उपयोग किया जाता है।

ड्राइव सिस्टम के आकार में कमी के अलावा, SiC MOSFETs हाई स्पीड ड्राइव को भी सक्षम बनाता है। ऑटोमोटिव, एयरोस्पेस, स्पिंडल, पंप और कंप्रेसर में हाई स्पीड ड्राइव की बढ़ती रुचि है। हाई स्पीड ड्राइव कुछ उपर्युक्त अनुप्रयोगों के लिए अत्याधुनिक बन गए हैं जबकि कुछ आला अनुप्रयोगों में, हाई स्पीड ड्राइव को अपनाने से उत्पाद की गुणवत्ता और उत्पाद नवाचार के संदर्भ में प्रदर्शन और क्षमताओं में वृद्धि हुई है।

एकीकृत ड्राइव अनुप्रयोग

सुचारू साइनसॉइडल ड्राइव प्रदान करने के लिए, VFD स्विचिंग आवृत्ति को एसी करंट आवृत्ति से कम से कम 50 गुना अधिक होना चाहिए। इसलिए, स्विचिंग आवृत्ति, पोल जोड़ी और मोटर गति का निम्नलिखित संबंध है:

f_PWM = 50∙ पोल-युग्म ∙ आरपीएम /60

अर्थात्, एक सामान्य 4-पोल मोटर के लिए, 10 krpm तक पहुँचने के लिए, f_PWM को 16.6kHz होना चाहिए, जो कि अधिकतम IGBT स्विचिंग आवृत्ति के बारे में है। इसलिए, 10 krpm से अधिक की किसी भी मोटर गति के लिए, SiC MOSFETs एक पसंदीदा या एकमात्र वैध विकल्प बन जाता है। मोटर पावर घनत्व को बढ़ाने के लिए, पोल-जोड़ी संख्या आमतौर पर बढ़ाई जाती है, जिसके लिए और भी अधिक PWM स्विचिंग आवृत्ति की आवश्यकता होती है। SiC का अनुप्रयोग एक नए दौर के मोटर डिज़ाइन सुधार और नवाचार को बढ़ावा देगा।