Aplikasi

Variable Frequency Drive (VFD) telah banyak digunakan di bidang industri dan otomotif. Teknologi utamanya adalah modulasi lebar pulsa frekuensi tinggi (PWM) dengan menggunakan sakelar semikonduktor. Terutama, inverter dua-level yang beroperasi pada frekuensi switching dalam rentang 4 hingga 16 kHz menghasilkan tegangan atau arus sinusoidal fundamental tiga-fasa untuk menggerakkan motor. Untuk tegangan bus 400V dan di atasnya, IGBT mendominasi aplikasi tersebut. Dengan munculnya SiC MOSFET berbasis bandwidth luas, kinerja switching perangkat ini dengan cepat menarik perhatian pada pengembangan penggerak motor. SiC MOSFET mampu mengurangi kerugian switching sekitar 70% dibandingkan dengan IGBT Si setara atau mencapai efisiensi yang sama pada frekuensi switching hampir 3x lebih tinggi. SiC MOSFETs, yang bertindak seperti resistor, tidak memiliki penurunan tegangan PN junction seperti IGBT, yang mengurangi kerugian konduksi, terutama pada beban ringan. Dengan frekuensi PWM yang lebih tinggi dan frekuensi fundamental penggerak motor yang lebih tinggi yang dapat dicapai, motor dapat dirancang dengan jumlah kutub yang lebih besar untuk mengurangi ukuran motor. Motor 8-kutub dapat mengurangi ukuran sebesar 40% dari motor 2-kutub dengan daya keluaran yang sama. Frekuensi switching tinggi memungkinkan desain motor padat tinggi. Kinerja ini menunjukkan potensi besar dari SiC MOSFETs pada aplikasi penggerak motor kecepatan tinggi, efisien tinggi, dan padat tinggi. Aplikasi sukses dari SiC MOSFETs pada Tesla Model 3 menandai awal era penggerak motor berbasis SiC. Trennya kuat bahwa SiC MOSFETs akan mendominasi aplikasi traksi otomotif, terutama pada kendaraan baterai 800V dan mendapatkan lebih banyak pangsa pasar pada aplikasi industri kelas atas.

Untuk memanfaatkan sepenuhnya keuntungan SiC MOSFET, kecepatan switching (dv/dt) dan frekuensi switching harus dinaikkan satu kali lipat atau lebih dari solusi berbasis IGBT saat ini. Meskipun SiC MOSFET memiliki potensi besar, aplikasi perangkat tersebut masih dibatasi oleh teknologi motor dan struktur sistem penggerak saat ini. Sebagian besar motor memiliki induktansi kawat tinggi dan kapasitansi parasit yang besar. Kabel tiga fase yang menghubungkan motor ke inverter pada dasarnya membentuk rangkaian LC, seperti ditunjukkan di bawah ini. Tegangan dv/dt yang tinggi pada output inverter dapat merangsang rangkaian LC dan lonjakan tegangan di terminal motor dapat mencapai dua kali lipat tegangan output inverter. Hal ini menambahkan stres tegangan yang signifikan pada gulungan motor.

Ketika inverter langsung terhubung ke motor, gangguan tegangan kabel tidak lagi ada. Namun, perubahan tegangan dv/dt yang tinggi akan diterapkan langsung pada kawat lilitan seperti yang ditunjukkan di bawah ini, yang dapat mempercepat penuaan kawat lilitan. Selain itu, tegangan dv/dt yang tinggi dapat menginduksi arus poros dan menyebabkan erosi poros serta kegagalan dini.

Masalah potensial lainnya adalah EMI. dv/dt tinggi dan di/dt tinggi dapat menginduksi emisi interferensi elektromagnetik yang lebih besar. Semua desain harus mempertimbangkan efek-efek ini baik untuk solusi berbasis IGBT maupun SiC.

Untuk mengatasi masalah-masalah ini, berbagai teknik telah dikembangkan. Jika sebuah motor dan penggerak inverter harus dipisahkan, filter tepi dv/dt atau filter sinusoidal adalah solusi yang efektif, tetapi dengan penambahan biaya. Desain motor sendiri telah terus berkembang sejak inverter IGBT tersedia secara komersial. Dengan kawat magnet yang lebih tahan isolasi dan struktur penggulungan koil motor yang ditingkatkan serta metode penyaringan yang lebih baik, kemampuan motor dalam menangani dv/dt telah meningkat secara signifikan dari beberapa V/ns awalnya dan akhirnya akan mencapai tujuan 40-50V/ns. Inverter berbasis SiC sangat efisien dengan efisiensi biasanya mencapai 98,5% pada 40kHz dan 99% pada 20kHz. Karena kerugian penggerak, integrasi penggerak motor menjadi layak dan solusi sistem yang menarik, yang menghilangkan semua kabel dan sambungan terminal serta mengurangi ukuran dan biaya sistem. Penggerak inverter yang sepenuhnya tertutup dan motor adalah cara efektif untuk mengurangi emisi EMI. Arus poros dapat dialihkan melalui pemendekan poros motor ke stator dengan pegas atau sikat tanah. Penggerak motor yang kompak, sangat efisien, ringan, dan terintegrasi digunakan secara luas dalam robot industri, drone udara dan bawah air, dll.

Selain pengurangan ukuran sistem penggerak, SiC MOSFET juga memungkinkan penggerakan berkecepatan tinggi. Penggerak berkecepatan tinggi telah menarik minat yang semakin besar dalam industri otomotif, penerbangan, poros putar, pompa, dan kompresor. Penggerak berkecepatan tinggi telah menjadi standar terbaru untuk beberapa aplikasi yang disebutkan di atas, sementara dalam beberapa aplikasi ceruk, adopsi penggerak berkecepatan tinggi telah meningkatkan kinerja dan kemampuan dalam hal kualitas produk dan inovasi produk.

Aplikasi Penggerak Terintegrasi

Untuk memberikan penggerak sinusoidal yang halus, frekuensi switching VFD harus setidaknya 50 kali lebih tinggi dari frekuensi arus AC. Oleh karena itu, frekuensi switching, pasangan kutub, dan kecepatan motor memiliki hubungan berikut:

f_PWM = 50∙ Pasang-Kutub ∙ rpm /60

Secara khusus, untuk motor 4-pole umum, untuk mencapai 10 krpm, f_PWM perlu menjadi 16.6kHz, yang merupakan sekitar frekuensi maksimum switching IGBT. Oleh karena itu, untuk kecepatan motor apa pun di atas 10 krpm, SiC MOSFET menjadi pilihan yang disukai atau satu-satunya opsi yang valid. Untuk meningkatkan kepadatan daya motor, jumlah pasangan kutub biasanya ditingkatkan, yang memerlukan frekuensi switching PWM yang lebih tinggi. Aplikasi SiC akan mendorong peningkatan dan inovasi baru dalam desain motor.