Pogon s promjenjivom frekvencijom (VFD) naširoko se koristi u industrijskim i automobilskim područjima. Ključna tehnologija je visokofrekventna modulacija širine impulsa (PWM) korištenjem poluvodičkih sklopki. Uglavnom dvorazinski pretvarači koji rade na sklopnim frekvencijama u rasponu od 4 do 16 kHz generiraju trofazne sinusne osnovne napone ili struje za pogon motora. Za 400 V i više napona sabirnice, IGBT dominiraju primjenom. S pojavom SiC MOSFET-a sa širokim pojasom, superiorna izvedba prekidanja uređaja brzo privlači veliku pozornost na razvoj motornih pogona. SiC MOSFET može smanjiti gubitke pri preklapanju za oko 70% u odnosu na svoje analogne Si IGBT-ove ili postići istu učinkovitost pri skoro 3x frekvenciji preklapanja. SiC MOSFET-ovi, koji se ponašaju poput otpornika, nemaju pad napona na PN spoju IGBT-a, što smanjuje gubitak vodljivosti, posebno pri malim opterećenjima. S višim PWM frekvencijama i većim osnovnim frekvencijama pogona motora koje je moguće postići, motor se može dizajnirati s većim brojem polova kako bi se smanjila veličina motora. 8-polni motor može smanjiti veličinu za 40% od 2-polnog motora s istom izlaznom snagom. Visoka frekvencija prebacivanja omogućuje dizajn motora visoke gustoće. Ove izvedbe pokazuju veliki potencijal SiC MOSFET-a u aplikacijama s motornim pogonom velike brzine, visoke učinkovitosti i velike gustoće. Uspješna primjena SiC MOSFET-a na Tesla Model 3 označila je početak ere motornog pogona temeljenog na SiC-u. Snažna je tendencija da će SiC MOSFET-i dominirati automobilskim pogonskim aplikacijama, posebno na 800V baterijskim vozilima i dobiti veći udio u industrijskim high-end aplikacijama.
Kako bi se u potpunosti iskoristile prednosti SiC MOSFET-a, brzina prebacivanja (dv/dt) i frekvencija prebacivanja trebaju se povećati za jedan red veličine ili više u odnosu na trenutna rješenja temeljena na IGBT-u. Unatoč velikom potencijalu SiC MOSFET-a, primjena uređaja je još uvijek ograničena trenutnom tehnologijom motora i strukturom pogonskog sustava. Većina motora ima veliki induktivitet namota i veliki parazitni kapacitet. Trofazni kabel koji povezuje motor s pretvaračem u biti tvori LC krug, kao što je prikazano dolje. Visoki dv/dt napon na izlazu pretvarača može pobuditi LC strujni krug, a skok napona na stezaljkama motora mogao bi zazvoniti i dvostruko veći od izlaznog napona pretvarača. Dodaje značajan napon na namote motora.
Kada je pretvarač izravno spojen na motor, više ne postoji zvonjenje napona kabela. Međutim, visoka dv/dt promjena napona primijenila bi se izravno na namote kao što je prikazano u nastavku, što može ubrzati starenje namota. Nadalje, visoki dv/dt napon može inducirati struju ležaja i uzrokovati eroziju ležaja i prijevremeni kvar.
Drugi potencijalni problem je EMI. Visoki dv/dt i visoki di/dt mogu izazvati veću emisiju elektromagnetskih smetnji. Svi dizajni moraju uzeti u obzir ove učinke i za IGBT i za rješenja temeljena na SiC.
Za ublažavanje ovih problema razvijene su različite tehnike. Ako se motor i pretvarač moraju odvojiti, dv/dt rubni filtar ili sinusoidalni filtar učinkovito je rješenje, ali uz dodatne troškove. Sam dizajn motora se poboljšava otkako su IGBT pretvarači postali komercijalno dostupni. S bolje izoliranim magnetskim žicama i poboljšanom strukturom namotaja zavojnice motora i metodama zaštite, sposobnost upravljanja dv/dt motora znatno je poboljšana s početnih nekoliko V/ns i na kraju će dosegnuti cilj od 40-50 V/ns. Inverteri na bazi SiC-a vrlo su učinkoviti s učinkovitošću koja obično doseže 98.5% na 40kHz i 99% na 20kHz. Zbog gubitka upravljačkog programa, integrirani motorni pogon postaje izvediv i atraktivno sustavno rješenje, koje eliminira sve kabele i terminalne veze i smanjuje veličinu i cijenu sustava. Potpuno zatvoreni pretvarač i motor su učinkovit način za smanjenje EMI emisije. Struja ležaja može se premostiti kratkim spojem osovine motora na stator uzemljenom oprugom ili četkom. Kompaktni visokoučinkoviti, lagani i integrirani motorni pogoni naširoko se koriste u industrijskim robotima, zračnim i podvodnim dronovima itd.
Osim smanjenja veličine pogonskog sustava, SiC MOSFET-ovi omogućuju i pogon velike brzine. Pogoni velike brzine zadobili su sve veći interes u automobilskoj, zrakoplovnoj industriji, vretenima, pumpama i kompresorima. Pogoni velike brzine postali su vrhunac za neke od gore navedenih primjena, dok je u nekim nišama primjene, usvajanje pogona velike brzine poboljšalo performanse i mogućnosti u smislu kvalitete proizvoda i inovacije proizvoda.
Integrirane pogonske aplikacije
Kako bi se osigurao glatki sinusoidalni pogon, frekvencija preklapanja VFD-a mora biti najmanje 50 puta veća od frekvencije izmjenične struje. Stoga, frekvencija sklopke, par polova i brzina motora imaju sljedeći odnos:
f_PWM = 50∙ par polova ∙ okr/min /60
Naime, za uobičajeni 4-polni motor, da bi se postiglo 10 krpm, f_PWM treba biti 16.6 kHz, što je otprilike maksimalna frekvencija preklapanja IGBT-a. Stoga, za bilo koju brzinu motora veću od 10 k/min, SiC MOSFET-ovi postaju poželjna ili jedina važeća opcija. Kako bi se povećala gustoća snage motora, obično se povećava broj pari polova, što zahtijeva još višu frekvenciju PWM preklapanja. Primjena SiC-a potaknula bi novu rundu poboljšanja dizajna motora i inovacija.