Programos

Kintamo dažnio pavara (VFD) buvo plačiai naudojama pramonės ir automobilių srityse. Pagrindinė technologija yra aukšto dažnio impulsų pločio moduliacija (PWM), naudojant puslaidininkinius jungiklius. Daugiausia dviejų lygių keitikliai, veikiantys perjungimo dažniais nuo 4 iki 16 kHz, generuoja trifazes sinusines pagrindines įtampas arba sroves varikliams valdyti. 400 V ir aukštesnei magistralės įtampai dominuoja IGBT. Atsiradus plataus diapazono SiC MOSFET, puikus įrenginių perjungimo našumas greitai pritraukia daug dėmesio kuriant variklio pavarą. SiC MOSFET gali sumažinti perjungimo nuostolius maždaug 70% jo analogiškų Si IGBT arba pasiekti tokį patį efektyvumą esant beveik 3 kartų perjungimo dažniui. SiC MOSFET, kurie elgiasi kaip rezistorius, trūksta IGBT PN jungties įtampos kritimo, o tai sumažina laidumo nuostolius, ypač esant nedidelėms apkrovoms. Esant didesniems PWM dažniams ir didesniems variklio pavaros pagrindiniams dažniams, variklis gali būti suprojektuotas su didesniu polių skaičiumi, kad būtų sumažintas variklio dydis. 8 polių variklis gali sumažinti dydį 40 %, palyginti su 2 polių varikliu su ta pačia išėjimo galia. Didelis perjungimo dažnis leidžia sukurti didelio tankio variklį. Šios savybės rodo didelį SiC MOSFET potencialą didelės spartos, didelio efektyvumo ir didelio tankio variklio pavarose. Sėkmingas SiC MOSFET pritaikymas Tesla Model 3 pažymėjo SiC pagrindu veikiančių variklių eros pradžią. Yra stipri tendencija, kad SiC MOSFET dominuotų automobilių traukos srityse, ypač 800 V akumuliatoriaus transporto priemonėse, ir įgytų didesnę dalį aukščiausios klasės pramoniniuose įrenginiuose.

Norint visapusiškai išnaudoti SiC MOSFET pranašumus, perjungimo greitis (dv/dt) ir perjungimo dažnis turėtų būti padidintas vienu ar daugiau, palyginti su dabartiniais IGBT sprendimais. Nepaisant didelio SiC MOSFET potencialo, įrenginių pritaikymą vis dar riboja dabartinė variklio technologija ir pavaros sistemos struktūra. Dauguma variklių turi didelę apvijų induktyvumą ir didelę parazitinę talpą. Trifazis kabelis, jungiantis variklį su keitikliu, iš esmės sudaro LC grandinę, kaip parodyta toliau. Aukšta dv/dt įtampa keitiklio išėjime gali sužadinti LC grandinę, o įtampos šuolis variklio gnybtuose gali skambėti net du kartus už keitiklio išėjimo įtampą. Tai padidina variklio apvijų įtampą.

Kai keitiklis yra tiesiogiai prijungtas prie variklio, kabelio įtampos skambėjimo nebėra. Tačiau didelis dv / dt įtampos pokytis būtų tiesiogiai taikomas apvijoms, kaip parodyta toliau, o tai gali pagreitinti apvijų senėjimą. Be to, aukšta dv/dt įtampa gali sukelti guolio srovę ir sukelti guolio eroziją bei priešlaikinį gedimą.

Kita galima problema yra EMI. Didelis dv/dt ir didelis di/dt gali sukelti didesnį elektromagnetinių trukdžių spinduliavimą. Visuose projektuose reikia atsižvelgti į šiuos efektus tiek IGBT, tiek SiC pagrįstiems sprendimams.

Siekiant sumažinti šias problemas, buvo sukurti įvairūs metodai. Jei reikia atskirti variklį ir keitiklio tvarkyklę, dv/dt kraštinis filtras arba sinusoidinis filtras yra efektyvus sprendimas, tačiau tam reikia pridėti papildomų išlaidų. Pats variklio dizainas tobulėjo nuo tada, kai IGBT inverteriai tapo parduodami. Dėl geresnės izoliacijos magnetinių laidų ir patobulintos variklio ritės apvijų struktūros bei ekranavimo metodų, variklių dv/dt valdymo galimybės iš pradžių buvo gerokai patobulintos nuo kelių V/ns ir galiausiai pasieks 40–50 V/ns tikslą. SiC keitikliai yra labai veiksmingi, o efektyvumas paprastai siekia 98.5 % esant 40 kHz ir 99 % esant 20 kHz. Dėl vairuotojo praradimo integruota variklio pavara tampa įmanoma ir patraukliu sistemos sprendimu, kuris pašalina visus kabelius ir gnybtų jungtis bei sumažina sistemos dydį ir sąnaudas. Visiškai uždara keitiklio pavara ir variklis yra veiksmingas būdas sumažinti EMI emisiją. Guolių srovę galima apeiti sutrumpinant variklio veleną su statoriumi įžeminta spyruokle arba šepečiu. Kompaktiškos, labai efektyvios, mažo svorio ir integruotos variklio pavaros plačiai naudojamos pramoniniuose robotuose, oro ir povandeniniuose dronuose ir kt.

Be pavaros sistemos dydžio sumažinimo, SiC MOSFET taip pat leidžia važiuoti dideliu greičiu. Didelės spartos pavaros sulaukė vis didesnio susidomėjimo automobilių, kosmoso, velenų, siurblių ir kompresorių srityse. Didelės spartos diskai tapo moderniausiu kai kurioms anksčiau paminėtoms programoms, o kai kuriose nišose didelės spartos pavarų pritaikymas pagerino produkto kokybę ir galimybes.

Integruotos disko programos

Norint užtikrinti sklandžią sinusinę pavarą, VFD perjungimo dažnis turi būti bent 50 kartų didesnis už kintamosios srovės dažnį. Todėl perjungimo dažnis, polių pora ir variklio greitis turi tokį ryšį:

f_PWM = 50∙ polių pora ∙ aps./min. /60

Būtent, kad įprastas 4 polių variklis pasiektų 10 krpm, f_PWM turi būti 16.6 kHz, tai yra maždaug didžiausias IGBT perjungimo dažnis. Todėl, kai variklio greitis viršija 10 krpm, SiC MOSFET tampa pageidaujama arba vienintele galimybe. Norint padidinti variklio galios tankį, paprastai padidinamas polių poros skaičius, todėl reikalingas dar didesnis PWM perjungimo dažnis. SiC taikymas paskatintų naujo rato variklio dizaino tobulinimą ir naujoves.