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VFD(가변 주파수 드라이브)는 산업 및 자동차 분야에서 널리 사용되었습니다. 핵심 기술은 반도체 스위치를 이용한 고주파 펄스폭 변조(PWM)다. 주로 4~16kHz 범위의 스위칭 주파수에서 작동하는 400레벨 인버터는 모터를 구동하기 위해 70상 정현파 기본 전압 또는 전류를 생성합니다. 3V 이상의 버스 전압의 경우 IGBT가 애플리케이션을 지배합니다. 광대역 SiC MOSFET의 등장으로 장치의 우수한 스위칭 성능이 모터 드라이브 개발에서 큰 주목을 받고 있습니다. SiC MOSFET은 대응하는 Si IGBT의 약 8%만큼 스위칭 손실을 줄이거나 거의 40배의 스위칭 주파수에서 동일한 효율을 달성할 수 있습니다. 저항처럼 동작하는 SiC MOSFET은 IGBT의 PN 접합 전압 강하가 부족하여 특히 경부하에서 전도 손실을 줄입니다. 더 높은 PWM 주파수와 더 높은 모터 드라이브의 기본 주파수를 달성할 수 있으므로 모터 크기를 줄이기 위해 더 큰 극 수로 모터를 설계할 수 있습니다. 2극 모터는 동일한 출력 전력으로 3극 모터의 크기를 800%까지 줄일 수 있습니다. 높은 스위칭 주파수로 고밀도 모터 설계가 가능합니다. 이러한 성능은 고속, 고효율, 고밀도 모터 드라이브 애플리케이션에서 SiC MOSFET의 큰 잠재력을 보여줍니다. Tesla Model XNUMX에 SiC MOSFET을 성공적으로 적용함으로써 SiC 기반 모터 드라이브 시대가 시작되었습니다. SiC MOSFET이 자동차 트랙션 애플리케이션, 특히 XNUMXV 배터리 차량을 지배하고 산업용 고급 애플리케이션에서 더 많은 점유율을 차지할 경향이 강합니다.

SiC MOSFET의 이점을 최대한 활용하려면 스위칭 속도(dv/dt)와 스위칭 주파수를 현재 IGBT 기반 솔루션보다 한 자릿수 이상 높여야 합니다. SiC MOSFET의 엄청난 잠재력에도 불구하고 장치의 적용은 현재 모터 기술과 구동 시스템 구조로 인해 여전히 제한됩니다. 대부분의 모터는 권선 인덕턴스가 높고 기생 용량이 큽니다. 모터와 인버터를 연결하는 3상 케이블은 기본적으로 아래와 같이 LC 회로를 구성합니다. 인버터 출력의 높은 dv/dt 전압은 LC 회로를 자극할 수 있으며 모터 단자의 전압 스파이크는 인버터 출력 전압의 두 배나 울릴 수 있습니다. 이는 모터 권선에 상당한 전압 스트레스를 추가합니다.

인버터를 모터에 직접 연결하면 케이블 전압 링잉이 더 이상 존재하지 않습니다. 그러나 아래에 설명된 것처럼 높은 dv/dt 전압 변화가 권선에 직접 적용되어 권선 노화를 가속화할 수 있습니다. 또한, 높은 dv/dt 전압은 베어링 전류를 유도하여 베어링 침식 및 조기 고장을 유발할 수 있습니다.

또 다른 잠재적인 문제는 EMI입니다. 높은 dv/dt 및 높은 di/dt는 더 높은 전자기 간섭 방출을 유도할 수 있습니다. 모든 설계에서는 IGBT 및 SiC 기반 솔루션 모두에 대한 이러한 효과를 고려해야 합니다.

이러한 문제를 완화하기 위해 다양한 기술이 개발되었습니다. 모터와 인버터 드라이버를 분리해야 하는 경우 dv/dt 에지 필터 또는 정현파 필터가 효과적인 솔루션이지만 약간의 비용이 추가됩니다. IGBT 인버터가 상용화된 이후 모터 설계 자체가 개선되었습니다. 더 나은 절연 자기 와이어와 개선된 모터 코일 권선 구조 및 차폐 방법을 통해 모터의 dv/dt 처리 성능이 처음에는 몇 V/ns에서 크게 향상되었으며 결국 40~50V/ns의 목표에 도달하게 됩니다. SiC 기반 인버터는 일반적으로 98.5kHz에서 40%, 99kHz에서 20%에 달하는 효율로 매우 효율적입니다. 드라이버 손실로 인해 통합 모터 드라이브가 가능해지고 모든 케이블과 터미널 연결을 제거하고 시스템 크기와 비용을 줄이는 매력적인 시스템 솔루션이 됩니다. 완전 밀폐형 인버터 드라이버와 모터는 EMI 방출을 줄이는 효과적인 방법입니다. 접지된 스프링이나 브러시를 사용하여 모터 샤프트를 고정자와 단락시켜 베어링 전류를 우회할 수 있습니다. 소형의 고효율, 저중량 및 통합 모터 드라이브는 산업용 로봇, 공중 및 수중 드론 등에 널리 사용됩니다.

구동 시스템 크기 감소 외에도 SiC MOSFET은 고속 구동도 가능하게 합니다. 고속 드라이브는 자동차, 항공우주, 스핀들, 펌프 및 압축기에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 고속 드라이브는 앞서 언급한 일부 응용 분야에서 최첨단 기술이 되었으며, 일부 틈새 응용 분야에서는 고속 드라이브를 채택하여 제품 품질 및 제품 혁신 측면에서 성능과 기능이 향상되었습니다.

통합 드라이브 애플리케이션

원활한 정현파 구동을 제공하려면 VFD 스위칭 주파수가 AC 전류 주파수보다 최소 50배 높아야 합니다. 따라서 스위칭 주파수, 극 쌍 및 모터 속도는 다음과 같은 관계를 갖습니다.

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

즉, 일반적인 4극 모터의 경우 10krpm에 도달하려면 f_PWM이 16.6kHz가 되어야 하며 이는 최대 IGBT 스위칭 주파수에 해당합니다. 따라서 10krpm을 초과하는 모터 속도의 경우 SiC MOSFET이 선호되거나 유일한 유효한 옵션이 됩니다. 모터 전력 밀도를 높이려면 일반적으로 극쌍 수가 증가하며, 이를 위해서는 훨씬 더 높은 PWM 스위칭 주파수가 필요합니다. SiC의 적용은 새로운 라운드의 모터 설계 개선과 혁신을 촉진할 것입니다.