יישומים

מגננה תדר משתנה (VFD) נמצאת בשימוש רחב בתחומים תעשייתיים ומכונתיים. הטכנולוגיה המרכזית היא מודולציה של רוחב דפיקה בתדר גבוה (PWM) באמצעות חלופים סמי-הולכים. בעיקר, הפוך דו-מפלסיים פועלים בתדרי החלפה בטווח של 4 עד 16 קילו הרץ יוצרים מתחים או זרמים בסיסיים סינוסואידליים בתלת-פאזה כדי להניע מנועים. עבור מתח אוטובוס של 400 וולט ומעלה, IGBT מושכים את היישום. עם הופעתן של SiC MOSFETs בעלות טווח רחב, הביצועים המתקדמים שלהם בהחלפת מכשירים משך תשומת לב רבה לפיתוח מערכות הנעה של מנועים. SiC MOSFET מסוגל להפחית איבוד החלפה בכ-70% לעומת IGBT הסיליקוניים התואמים שלו, או להשיג את אותו יעילות בתדר חלפה גבוה פי 3. SiC MOSFETים מתנהגים כמונגד, ללא איבוד מתח של צירוף PN של IGBT, מה שפוחת את איבוד ההולכה, במיוחד בהעלאות קלות. עם תדרים גבוהים יותר של PWM ותדרים בסיסיים גבוהים יותר של מערכת הנעה של מנוע שאפשריים, ניתן לתכנן מנוע עם מספר גדול יותר של קטבים כדי להפחית את גודלו של המנוע. מנוע בעל שמונה קטבים יכול להפחית את הגודל ב-40% של מנוע בעל שני קטבים עם אותו כוח יציאה. תדר חלפה גבוה מאפשר עיצוב מנוע צפוף. הביצועים האלה מראים פוטנציאל גדול של SiC MOSFETs ליישומי מנועים מהירים, יעילים וצפופים. יישום מוצלח של SiC MOSFETs ב-Tesla Model 3 סימן את תחילת עידן מערכות הנעה מבוססות SiC. העקביות חזקה שה-SiC MOSFETs ישכנו ליישומי משיכת רכב, במיוחד ברכבים עם בטריות 800V, ויגיעו לחלק גדול יותר ביישומים תעשייתיים מתקדמים.

כדי לנצל את ההיתרון המלא של SiC MOSFETs, יש להעלות את מהירות ההחלפה (dv/dt) ואת תדר ההחלפה בפקטור של עשרים או יותר מפתרונות מבוססי IGBT הנמצאים בשימוש כיום. למרות הפוטנציאל הגדול של SiC MOSFETs, יישום המכשירים עדיין מוגבל על ידי טכנולוגיית המנועים והמבנה של מערכות הנהגה קיימות. רוב המנועים בעלי אינדוקטנס גבוהה של הסpiral וקיבול פרזיטי גדול. כבל שלוש-フェזים מחבר בין המנוע ל-lnverter יוצר למעשה מעגל LC, כפי שמוצג למטה. המתח הגבוה עם dv/dt גבוה בפלט של lnverter יכול לעורר את המעגל LC, והשיפוע המתח בקצוות המנוע יכול להגיע לשניים פעמים מתח הפלט של lnverter. זה מוסיף לחץ מתח משמעותי על windings של המנוע.

כאשר המ inversión מחובר ישירות למוטור, התופעה של 'voltage ringing' בקבל כבר לא קיימת. עם זאת, השינוי המהיר של המתח (dv/dt) יישאר מופעל ישירות על הסpiral, כפי שמוצג למטה, מה שיכולה להאיץ את זדקנות הסpiral.ßerdem, המתח הגבוה dv/dt יכול לגרום לצרף בעקבות ובכך לגרום לאיתוש והרס מוקדם של העקבות.

בעיה פוטנציאלית נוספת היא섭. השינויים המהירים של dv/dt ו-di/dt יכולים לגרום לשחרור גבוה יותר של섭. כל תכנון צריך לקחת בחשבון את ההשפעות האלה עבור פתרונות מבוססי IGBT ו-SiC.

כדי להפחית את הבעיות האלה, פותחו טכניקות שונות. אם מנוע ונהג אינורטר צריך להיות מופרדים, מסנן קצה dv/dt או מסנן סינוסואידלי הוא פתרון יעיל, אך עם הוספת עלות מסוימת. ogsת של המנוע עצמו שופרה מאז שהפכו האינורטורים מסוג IGBT זמינים מסחרית. בעזרת חוטים מגנטיים מבודדים טוב יותר, מבנה כיווץ מתוח של המנוע ושיטות מסננות משופרות, היכולת של המנועים להתמודד עם dv/dt שופרה באופן משמעותי ממספר מספרי V/ns בהתחלה והיא תגיע בסופו של דבר למטרה של 40-50V/ns. אינורטורים מבוססי SiC הם ייעילים מאוד, עם יעילות בדרך כלל מגיעה ל-98.5% ב-40kHz ול-99% ב-20kHz. בגלל אובדן הנהג, נהג מנוע משלב הפך לפתרון מערכת מושך וממשיכה, אשר משמיד את כל החבלים והקשרים, ומעליל את גודל המערכת והעלות שלה. נהג אינורטור ומנוע סגור לחלוטין הוא דרך יעילת להפחית את השמése EMI. זרם ציר יכול להימנע על ידי חיבור קצר של ציר המנוע לציר עם קפיץ או עט ברדס מונח. מנהלים מתקדמים, קטנים בגודלם, בעלי יעילות גבוהה ובמשקל קל מופעלים בצורה רחבה ברובוטים תעשייתיים, דроונים אוויריים ותת-ימיים וכו'.

בנוסף להקטנת גודל מערכת הנהגה, מספקות SiC MOSFET גם את האפשרות לנהגת מהירה. נגזרות מהירות גבוהות מושכים עניין גובר בענפי הרכב, תעופה, צירונים, פמפים וקומפרסורים. נגזרות מהירות גבוהות הפכו לסטנדרט בחלק מהיישומים שוזכרו לעיל, בעוד שבישומים מסוימים נוספים אימוץ של נגזרות מהירות גבוהות שפרה את הביצועים והיכולות במונחי איכות המוצר וחדשנות המוצר.

יישומי נגזרת מובנית

כדי לספק נהיגה סינוסואידלית חלקה, תדר ההחלפה של VFD צריך להיות לפחות 50 פעמים גבוה מהתדר הזרם המتردد. לכן, יש קשר הבא בין תדר החלפה, זוגי קטבים ומהירות המנוע:

f_PWM = 50∙ זוגי-קטבים ∙ rpm/60

למילים אחרות, עבור מנוע 4 קוטבים שגרתי, כדי להגיע ל-10 ק"רפרמ", f_PWM צריך להיות 16.6kHz, שהוא בערך המרץ המקסימלי של חילופי IGBT. לכן, לכל מהירות מנוע מעל 10 ק"רפרמ", SiC MOSFET הפך לאפשרות מועדפת או היחידה תקינה. כדי להגדיל את צפיפות הכוח של המנוע, מספר זוגות הקוטבים מוגבר בדרך כלל, מה שדורש מרץ חילוף PWM אפילו גבוה יותר. יישום SiC ישיג שיפור חדש וחדשנות בתכנית מנוע.