Aplikasi

Pemacu Frekuensi Berubah (VFD) telah digunakan secara meluas dalam kawasan perindustrian dan automotif. Teknologi utama ialah modulasi lebar nadi frekuensi tinggi (PWM) dengan menggunakan suis semikonduktor. Terutamanya penyongsang dua peringkat yang beroperasi pada frekuensi pensuisan dalam julat 4 hingga 16 kHz menjana voltan asas sinusoidal tiga fasa atau arus untuk memacu motor. Untuk voltan bas 400V dan ke atas, IGBT mendominasi aplikasi. Dengan kemunculan MOSFET SiC bergap lebar, prestasi pensuisan unggul peranti dengan cepat menarik perhatian besar pada pembangunan pemacu motor. MOSFET SiC mampu mengurangkan kehilangan pensuisan sekitar 70% daripada Si IGBT rakan sejawatannya atau mencapai kecekapan yang sama pada frekuensi pensuisan hampir 3x. MOSFET SiC, berkelakuan seperti perintang, kekurangan penurunan voltan simpang PN IGBT, yang mengurangkan kehilangan pengaliran, terutamanya pada beban ringan. Dengan frekuensi PWM yang lebih tinggi dan frekuensi asas pemacu motor yang lebih tinggi boleh dicapai, motor boleh direka bentuk dengan nombor kutub yang lebih besar untuk mengurangkan saiz motor. Motor 8 kutub boleh mengurangkan saiz sebanyak 40% daripada motor 2 kutub dengan kuasa keluaran yang sama. Kekerapan pensuisan tinggi membolehkan reka bentuk motor berketumpatan tinggi. Persembahan ini menunjukkan potensi besar MOSFET SiC pada aplikasi pemacu motor berkelajuan tinggi, kecekapan tinggi dan berketumpatan tinggi. Kejayaan penerapan SiC MOSFET pada Tesla Model 3 menandakan permulaan era pemacu motor berasaskan SiC. Kecenderungan kuat bahawa MOSFET SiC akan mendominasi aplikasi daya tarikan automotif, terutamanya pada kenderaan bateri 800V dan mendapat lebih banyak bahagian dalam aplikasi industri mewah.

Untuk mengeksploitasi sepenuhnya manfaat SiC MOSFET, kelajuan pensuisan (dv/dt) dan kekerapan pensuisan hendaklah dinaikkan dengan satu susunan magnitud atau lebih daripada penyelesaian berasaskan IGBT semasa. Walaupun potensi besar SiC MOSFET, aplikasi peranti masih terhad oleh teknologi motor semasa dan struktur sistem pemacu. Kebanyakan motor mempunyai kearuhan belitan tinggi dan kapasitans parasit yang besar. Kabel tiga fasa yang menyambungkan motor ke penyongsang pada asasnya membentuk litar LC, seperti ditunjukkan di bawah. Voltan dv/dt yang tinggi pada output penyongsang boleh merangsang litar LC dan lonjakan voltan pada terminal motor boleh berdering sebanyak dua kali daripada voltan keluaran penyongsang. Ia menambah tegasan voltan yang ketara pada belitan motor.

Apabila penyongsang disambungkan terus ke motor, deringan voltan kabel tidak wujud lagi. Walau bagaimanapun, perubahan voltan dv/dt tinggi akan digunakan pada belitan secara langsung seperti yang digambarkan di bawah, yang boleh mempercepatkan penuaan belitan. Tambahan pula, voltan dv/dt yang tinggi boleh mendorong arus galas dan menyebabkan hakisan galas dan kegagalan pramatang.

Satu lagi isu yang berpotensi ialah EMI. Dv/dt tinggi dan di/dt tinggi boleh menyebabkan pelepasan gangguan elektromagnet yang lebih tinggi. Semua reka bentuk perlu mengambil kira kesan ini untuk kedua-dua penyelesaian berasaskan IGBT dan SiC.

Untuk mengurangkan masalah ini, teknik yang berbeza telah dibangunkan. Jika motor dan pemacu penyongsang perlu dipisahkan, penapis tepi dv/dt atau penapis sinusoidal ialah penyelesaian yang berkesan, tetapi dengan sedikit kos tambahan. Reka bentuk motor itu sendiri telah bertambah baik sejak penyongsang IGBT tersedia secara komersial. Dengan wayar magnet berpenebat yang lebih baik dan struktur penggulungan gegelung motor yang dipertingkatkan serta kaedah perisai, keupayaan pengendalian dv/dt motor telah dipertingkatkan dengan ketara daripada beberapa V/ns pada mulanya dan ia akhirnya akan mencapai matlamat 40-50V/ns. Penyongsang berasaskan SiC sangat cekap dengan kecekapan biasanya mencapai 98.5% pada 40kHz dan 99% pada 20kHz. Disebabkan oleh kehilangan pemandu, pemacu motor bersepadu menjadi boleh dilaksanakan dan penyelesaian sistem yang menarik, yang menghapuskan semua kabel dan sambungan terminal serta mengurangkan saiz dan kos sistem. Pemacu dan motor penyongsang yang tertutup sepenuhnya adalah cara yang berkesan untuk mengurangkan pelepasan EMI. Arus galas boleh dipintas dengan memendekkan aci motor kepada stator dengan spring atau berus yang dibumikan. Pemacu motor padat yang sangat cekap, berat rendah dan bersepadu digunakan secara meluas dalam robot industri, dron udara dan bawah air, dsb.

Selain pengurangan saiz sistem pemacu, MOSFET SiC juga membolehkan pemanduan berkelajuan tinggi. Pemacu kelajuan tinggi telah mendapat minat yang semakin meningkat dalam automotif, aeroangkasa, gelendong, pam dan pemampat. Pemacu kelajuan tinggi telah menjadi teknologi terkini untuk beberapa aplikasi yang disebutkan di atas manakala dalam beberapa aplikasi khusus, penggunaan pemacu kelajuan tinggi telah meningkatkan prestasi dan keupayaan dari segi kualiti produk dan inovasi produk.

Aplikasi Drive Bersepadu

Untuk menyediakan pemacu sinusoidal yang lancar, frekuensi pensuisan VFD perlu sekurang-kurangnya 50 kali lebih tinggi daripada frekuensi arus ac. Oleh itu, frekuensi pensuisan, pasangan kutub dan kelajuan motor mempunyai hubungan berikut:

f_PWM = 50∙ Pasangan Kutub ∙ rpm /60

Iaitu, untuk motor 4-kutub biasa, untuk mencapai 10 krpm, f_PWM perlu 16.6kHz, iaitu kira-kira frekuensi pensuisan IGBT maksimum. Oleh itu, untuk mana-mana kelajuan motor melebihi 10 krpm, MOSFET SiC menjadi pilihan pilihan atau hanya sah. Untuk meningkatkan ketumpatan kuasa motor, nombor pasangan kutub biasanya ditambah, yang memerlukan frekuensi pensuisan PWM yang lebih tinggi. Penggunaan SiC akan mendorong peningkatan dan inovasi reka bentuk motor pusingan baharu.