A kérelmek

A Változó Gyakorisági Meghajtás (VFD) széles körben használatos az ipari és autóipari területeken. A kulcsfontosságú technológia a magas gyakoriságú impulzus-szélesség-moduláció (PWM), amely szemiconductors kapcsolókat használ. Két szintű inverterek főként 4-16 kHz közötti kapcsolási gyakoriságon működnek, és háromfázisú szinuszos alapfeszültségeket vagy áramokat generálnak a motorok meghajtásához. A 400V és ennél nagyobb buszfeszültség esetén az IGBT-k uralkodnak az alkalmazásokban. A széles sávú SiC MOSFET-ek megjelenésével a berendezések kiváló kapcsolási teljesítménye gyorsan felhívta a figyelmet a motorok meghajtásának fejlesztésére. A SiC MOSFET képes kb. 70%-kal csökkenteni a kapcsolási veszteséget a szilícium IGBT-hez képest, vagy ugyanolyan hatékonyságot elérhet hármas kapcsolási gyakoriságon. A SiC MOSFET-ek olyan ellenállásként viselkednek, hogy nem mutatnak IGBT-ek PN-hártya feszültségi csökkenést, ami csökkenti a vezetési veszteséget, különösen könnyű terheléseknél. Magasabb PWM gyakoriságok és magasabb motor-meghajtó alapfrekvenciák elérésével egy motor több pólusszámmal tervezhető úgy, hogy a motorkorlát csökkenthető. Az 8-pólusú motor mérete 40%-kal kisebb lehet egy 2-pólusú motorhoz ugyanazzal a kimeneti teljesítménnyel. A magas kapcsolási gyakoriság lehetővé teszi a magas sűrűségű motor tervezését. Ezek a teljesítmények nagy potenciált mutatnak a SiC MOSFET-eken belül a magas sebességű, magas hatékonyságú és magas sűrűségű motor-meghajtó alkalmazásokra. A SiC MOSFET-ek sikeres alkalmazása a Tesla Model 3-as modellben jelentette meg kezdetét a SiC-alapú motor-meghajtó időszaknak. Erős a tendencia, hogy a SiC MOSFET-ek uralkodni fogják az autóipari trakció alkalmazásokat, különösen a 800V-ás akkumulátoros járművek esetében, és növekvő részvételt érnek el az ipari fejlettebb alkalmazásokban.

A SiC MOSFETek előnyeinek teljes kihasználásához a kapcsolási sebesség (dv/dt) és a kapcsolási gyakoriság egy számrenddel vagy többel kell növekedjen az aktuális IGBT-alapú megoldások fölött. A SiC MOSFETek bár nagy potenciállal rendelkeznek, az eszközök alkalmazása még mindig az aktuális motor-technológia és a hajtómű-rendszer szerkezetével korlátozódik. A legtöbb motor magas feszítési indukcióval és nagy paraszt kapacitással rendelkezik. A háromfázisos kábel, amely egy motort csatlakoztat egy inverterhez, alapvetően egy LC-köröt alkot, ahogy lent látható. Az inverter kimeneténél felmerülő magas dv/dt feszültség felhángíthatja az LC-kört, és a motor termináljain lévő feszültségi csüccs akkor kétszeresére tehető az inverter kimeneti feszültségéhez képest. Ez jelentős feszültségi terhelést jelent a motor szálakra.

Amikor az inverter közvetlenül a motorra van kapcsolva, a kábel feszültség-reverberáció már nem létezik. Azonban a magas dv/dt feszültségváltozás közvetlenül a szitákra hatna, ahogy az alábbi ábrán is látható, ami gyorsíthatja a sziták öregségi folyamatát. Továbbá, a magas dv/dt feszültség vezethet tengelyáramhoz és tengercserep elírásához, valamint korai meghibásodáshoz.

Egy másik potenciális probléma az EMI (elektromos zavar). A magas dv/dt és di/dt nagyobb elektromossági zavart okozhat. Minden tervezésnek figyelembe kell vennie ezeket az effekteket mind az IGBT, mind a SiC alapú megoldások esetén.

A problémák enyhítésére különböző technikákat fejlesztettek ki. Ha egy motor és egy inverter vezérlő el kell lennie egymástól, a dv/dt élszűrő vagy szinuszos szűrő hatékony megoldás, de néhány extra költséggel. A motor tervezése saját maga is folyamatosan fejlődött, mivel az IGBT inverterek komerces elérhetőségéhez jutottak. Jobb izolációval rendelkező magnesos drótkal és javított motorkarika áramvonalak szerkezetével és párhuzamosítási módszerekkel a motorok dv/dt kezelési képessége jelentősen növekedett a kezdeti néhány V/ns-tól, és végül elérni fogja a 40-50V/ns célkitűzést. A SiC-alapú inverterek nagyon hatékonyak, általánosan 98,5%-os hatékonyságot érnek el 40kHz-nál és 99%-ot 20kHz-nél. A vezérlő vesztesége miatt az integrált motorvezérlés megvalósítható és vonzó rendszeres megoldás, amely megszünteti az összes kábel és csatlakozási pontot, és csökkenti a rendszer méretét és költségét. Az egészben bezárva tartott inverter vezérlő és motor hatékony módja az EMI-kibocsátás csökkentésére. A tengelyáramot egy földre kapcsolt tengely-sztori rövidzárásával kerülhetjük át egy ilyen nyíl vagy szivattyú használatával. A kompakt, nagyon hatékony, alacsony súlyú és integrált motorvezérlések széleskörben alkalmazottak ipari robotokban, légi és vízalatti drónokban stb.

A hajtásrendszer méretcsökkentés mellett a SiC MOSFET-k lehetővé teszik a magas sebességű hajtást is. A magas sebességű hajtások növekvő érdeklődést kapnak az autóiparban, a repülészeti technológiában, a tornyos forgatókonyhaiban, a pumákban és a tömörítőkben. A magas sebességű hajtások bizonyos fent említett alkalmazásoknál már általánosak, míg néhány kisebb piaci szegmensben ezek felvétele javított a teljesítményeken és képességeken a termék minőségének és innovációjának szintjén.

Integrált hajtás-alkalmazások

Egy sima szinuszos hajtás biztosításához a VFD kapcsolási gyakorisága legalább 50-szor nagyobb kell legyen az AC-járám gyakoriságánál. Ezért a kapcsolási frekvencia, a polos párok és a motor sebesség között a következő összefüggés van:

f_PWM = 50∙ Polos-Pár ∙ rpm /60

Pontosan, egy közös 4-pólusú motor esetén, hogy elérje a 10 ezer perc (10 krpm)-et, a f_PWM értéke 16,6 kHz-nak kell lennie, ami kb. az IGBT kapcsolási frekvencia maximuma. Ezért bármely 10 krpm-nél nagyobb motorgörgetés esetén a SiC MOSFET-k egyre inkább kedvelt vagy egyetlen érvényes opcióként jelennek meg. A motor teljesítmény-sűrűségének növeléséhez általában növelik a póluspár számot, amely még magasabb PWM kapcsolási frekvenciát igényel. A SiC alkalmazása új körút nyithatna a motor tervezési fejlesztésének és innovációjának.