Applicazioni

Il Variable Frequency Drive (VFD) è ampiamente utilizzato nei settori industriale e automobilistico. La tecnologia chiave è la modulazione a larghezza di impulso ad alta frequenza (PWM) tramite l'uso di interruttori semiconduttori. In genere, gli inverters a due livelli operanti a frequenze di commutazione comprese tra 4 e 16 kHz generano tensioni o correnti fondamentali sinusoidali trifasiche per azionare i motori. Per le tensioni del bus superiori a 400V, gli IGBT dominano le applicazioni. Con l'emergere dei SiC MOSFET a banda di energia allargata, le prestazioni di commutazione superiori di questi dispositivi hanno rapidamente attirato molta attenzione nello sviluppo di sistemi di azionamento motori. Un SiC MOSFET è in grado di ridurre le perdite di commutazione di circa il 70% rispetto ai corrispondenti IGBT a base di Si o di raggiungere la stessa efficienza a una frequenza di commutazione quasi tripla. I SiC MOSFET, che si comportano come resistori, non presentano la caduta di tensione del giunto PN degli IGBT, il che riduce le perdite di conduzione, specialmente a carichi leggeri. Con frequenze PWM più alte e frequenze fondamentali dell'azionamento motore raggiungibili, un motore può essere progettato con un numero maggiore di poli per ridurre le dimensioni del motore. Un motore a 8 poli può ridurre le dimensioni del 40% rispetto a un motore a 2 poli con la stessa potenza di uscita. La frequenza di commutazione elevata consente progetti di motori ad alta densità. Queste prestazioni mostrano un grande potenziale dei SiC MOSFET nelle applicazioni di azionamento motori ad alta velocità, ad alta efficienza e ad alta densità. L'applicazione riuscita dei SiC MOSFET nel Tesla Model 3 ha segnato l'inizio dell'era degli azionamenti motori a base di SiC. La tendenza è forte che i SiC MOSFET dominino le applicazioni di trazione automobilistica, specialmente nei veicoli con batterie da 800V, e acquisiscano una quota sempre maggiore nelle applicazioni industriali di alto livello.

Per sfruttare appieno il vantaggio dei SiC MOSFET, la velocità di commutazione (dv/dt) e la frequenza di commutazione dovrebbero essere aumentate di un ordine di grandezza o più rispetto alle attuali soluzioni a base di IGBT. Nonostante il grande potenziale dei SiC MOSFET, l'applicazione di questi dispositivi è ancora limitata dalla tecnologia motore attuale e dalla struttura del sistema di trazione. La maggior parte dei motori ha un'alta induttanza dei bobbinaggi e una grande capacitância parasitaria. Un cavo trifase che connette un motore a un invertitore forma essenzialmente un circuito LC, come mostrato di seguito. L'alto dv/dt della tensione all'uscita dell'invertitore può eccitare il circuito LC e l'aumento di tensione ai terminali del motore può raggiungere fino a due volte la tensione di uscita dell'invertitore. Ciò aggiunge uno stress di tensione significativo sui bobbinaggi del motore.

Quando l'inverter è collegato direttamente al motore, il fenomeno di risonanza del voltage nel cavo non esiste più. Tuttavia, il rapido cambiamento di tensione dv/dt verrà applicato direttamente ai bobbinati come illustrato di seguito, il che può accelerare lo invecchiamento dei bobbinati. Inoltre, il alto dv/dt può indurre una corrente nei cuscinetti e causare erosione e guasto prematuro dei medesimi.

Un'altra potenziale problematica è la RFI. Alto dv/dt e alto di/dt possono indurre emissioni di interferenza elettromagnetica maggiori. Tutti i progetti devono prendere in considerazione questi effetti sia per le soluzioni a base di IGBT che per quelle a base di SiC.

Per mitigare questi problemi, sono state sviluppate diverse tecniche. Se un motore e un invertitore devono essere separati, un filtro dv/dt o un filtro sinusoidale è una soluzione efficace, ma con un costo aggiuntivo. Il design del motore stesso si è migliorato dal momento in cui gli invertitori IGBT sono diventati disponibili commercialmente. Con fili magnetici meglio isolati e una struttura di avvolgimento e metodi di shielding migliorati, la capacità del motore di gestire il dv/dt si è migliorata sostanzialmente da pochi V/ns inizialmente e raggiungerà infine l'obiettivo di 40-50V/ns. Gli invertitori a base di SiC sono molto efficienti, con un'efficienza che generalmente raggiunge il 98,5% a 40kHz e il 99% a 20kHz. A causa della perdita del driver, il drive motorizzato integrato diventa una soluzione sistematica attraente, eliminando tutti i cavi e le connessioni terminali e riducendo le dimensioni e il costo del sistema. L'invertitore completamente chiuso e il motore sono un modo efficace per ridurre le emissioni EMI. La corrente del cuscinetto può essere deviata collegando a terra l'asse del motore allo stator con una molla o una spazzola a terra. I drive motorizzati compatte, ad alta efficienza, leggeri e integrati vengono utilizzati ampiamente nei robot industriali, nei droni aerei e sottomarini, ecc.

Oltre alla riduzione delle dimensioni del sistema di trazione, i SiC MOSFET consentono anche il funzionamento ad alta velocità. Le applicazioni ad alta velocità hanno suscitato un crescente interesse nei settori automobilistico, aerospaziale, mandrini, pompe e compressori. Le tecnologie ad alta velocità sono diventate uno standard per alcune delle suddette applicazioni, mentre in alcune nicchie l'adozione di sistemi ad alta velocità ha migliorato le prestazioni e le capacità in termini di qualità del prodotto e innovazione.

Applicazioni di Trasmissione Integrata

Per fornire un'onda sinusoidale regolare, la frequenza di commutazione del VFD deve essere almeno 50 volte superiore alla frequenza della corrente alternata. Quindi, la frequenza di commutazione, il numero di paia di poli e la velocità del motore hanno il seguente rapporto:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ giri/minuto /60

In particolare, per un motore a 4 poli comune, per raggiungere 10 krpm, f_PWM deve essere di 16,6 kHz, che è circa la frequenza massima di commutazione degli IGBT. Pertanto, per qualsiasi velocità del motore superiore a 10 krpm, i SiC MOSFET diventano l'opzione preferita o l'unica valida. Per aumentare la densità di potenza del motore, il numero di coppie di poli viene generalmente aumentato, il che richiede una frequenza di commutazione PWM ancora più elevata. L'applicazione del SiC spingerà un nuovo ciclo di miglioramenti e innovazioni nella progettazione dei motori.