Toepassingen

Variabele frequentiedrijven (VFD) worden breed toegepast in de industrie en het automobielgebied. De sleuteltechnologie is hoge-frequentie pulse width modulatie (PWM) met behulp van halveleiderschakelaars. Voornamelijk twee-niveau omvormers die opereren op schakelfrequenties tussen 4 en 16 kHz genereren driefasige sinusvormige basisspanningen of -stroom om motoren aan te drijven. Voor busspanningen van 400V en hoger domineren IGBT's de toepassing. Met de komst van SiC MOSFETs met een grote bandgapaattracteert het superieure schakelgedrag van deze apparaten veel aandacht voor de ontwikkeling van motorbesturingen. Een SiC MOSFET kan het schakelverlies met ongeveer 70% verminderen ten opzichte van zijn equivalent, de Si IGBT, of dezelfde efficiëntie bereiken bij een schakelfrequentie die ongeveer driemaal zo hoog is. SiC MOSFETs gedragen zich als een weerstand en hebben geen PN-knopspanningsval zoals IGBTs, wat leidt tot een vermindering van het geleidingsverlies, vooral bij lichte belastingen. Door hogere PWM-frequenties en hogere basalfrequenties van de motorbesturing haalbaar te maken, kan een motor worden ontworpen met een groter aantal polen om de grootte van de motor te verminderen. Een 8-polmotor kan de afmetingen met 40% verminderen ten opzichte van een 2-polmotor met dezelfde uitkomstkracht. Hoge schakelfrequenties mogelijk maken een compacte motorontwerp. Deze prestaties tonen een groot potentieel van SiC MOSFETs voor hoge snelheid, hoge efficiëntie en compacte motorbesturingstoepassingen. De succesvolle toepassing van SiC MOSFETs in de Tesla Model 3 markeerde het begin van het tijdperk van SiC-gebaseerde motorbesturingen. De tendens is sterk dat SiC MOSFETs de dominantie zullen krijgen in automotieve tractietoepassingen, vooral bij voertuigen met 800V batterijen, en meer marktaandeel zullen krijgen in industriële high-end toepassingen.

Om het volledige voordeel van SiC MOSFETs te benutten, moeten de schakelsnelheid (dv/dt) en de schakelfrequentie met een factor tien of meer worden verhoogd ten opzichte van de huidige IGBT-gebaseerde oplossingen. Ondanks het grote potentieel van SiC MOSFETs, wordt de toepassing van deze apparaten nog beperkt door de huidige motor technologie en de structuur van het aandrijfsysteem. De meeste motoren hebben een hoge spoelinginductie en een grote parasitaire capaciteit. Een driefasenkabel die een motor verbindt met een inverter vormt essentieel een LC-circuit, zoals hieronder wordt weergegeven. De hoge dv/dt spanning aan de uitgang van de inverter kan het LC-circuit activeren en de spanningpiek aan de motor terminals kan tot twee keer de uitgangsspanning van de inverter bereiken. Dit zet extra voltage-stress op de motorwindingen.

Wanneer de inverter rechtstreeks aan de motor is gekoppeld, komt er geen kabelspanningsnabij meer voor. Het hoge dv/dt-spanningsverschil wordt echter direct toegepast op de windingen, zoals hieronder weergegeven, wat de ouderdom van de winding kan versnellen. Bovendien kan het hoge dv/dt-spanning een asstroom genereren en aserosie en vroege uitval veroorzaken.

Een ander potentiële probleem is EMI. Een hoge dv/dt en een hoge di/dt kunnen hogere elektromagnetische stoorsignalen veroorzaken. Alle ontwerpen moeten rekening houden met deze effecten, zowel voor IGBT- als SiC-gebaseerde oplossingen.

Om deze problemen te verminderen, zijn verschillende technieken ontwikkeld. Als een motor en een inverterdriver gescheiden moeten worden, is een dv/dt randfilter of sinusfilter een effectieve oplossing, maar met enige extra kosten. De motorontwerp zelf is verbeterd sinds IGBT-inverters commercieel beschikbaar raakten. Met betere geïsoleerde magnetische draden en een verbeterde windstructuur en afschermingsmethoden van de motorcoils, is de dv/dt-behandelingscapaciteit van motoren aanzienlijk verbeterd van een paar V/ns initiërend en zal uiteindelijk het doel van 40-50V/ns bereiken. SiC-gebaseerde inverters zijn zeer efficiënt met een efficiëntie die gewoonlijk 98,5% bereikt bij 40kHz en 99% bij 20kHz. Door de driververlies, wordt een geïntegreerde motordriver haalbaar en een aantrekkelijke systeemoplossing, wat alle kabels en terminalverbindingen elimineert en het systeemgrootte en -kosten vermindert. Een volledig ingesloten inverterdriver en motor is een effectieve manier om EMI-uitstoot te verminderen. As-stroom kan worden omleid door de as van de motor naar de stator te kortsluiten met een gemoduleerde veer of borstel. Compacte, hoog-efficiënte, lage-gewicht en geïntegreerde motordrivers worden breed gebruikt in industriële robots, luchtvaart- en onderwater drones, etc.

Naast de reductie van de grootte van het aandrijfsysteem, maken SiC MOSFETs ook hoge snelheidsaandrijvingen mogelijk. Hoge snelheidsaandrijvingen trekken steeds meer aandacht in de automobiel-, luchtvaart-, spindel-, pompen- en compressorsectoren. Hoge snelheidsaandrijvingen zijn voor sommige van de genoemde toepassingen gestandaardiseerd, terwijl in enkele niche-toepassingen de adoptie van hoge snelheidsaandrijvingen de prestaties en mogelijkheden heeft verbeterd qua productkwaliteit en productinnovatie.

Gearchiveerde Drive Toepassingen

Om een soepele sinusvormige aandrijving te bieden, moet de schakelfrequentie van de VFD minstens 50 keer hoger zijn dan de frequentie van de wisselstroom. Daarom heeft schakelfrequentie, polenparen en motor snelheid het volgende verband:

f_PWM = 50∙ Polen-Paar ∙ toeren per minuut /60

Namelijk, voor een algemene 4-poolsmotor, om de 10 krpm te bereiken, moet f_PWM 16,6kHz zijn, wat ongeveer het maximale IGBT-schakelfrequentie is. Daarom worden voor elke motorssnelheid boven de 10 krpm SiC MOSFETs een voorkeurs- of enige geldige optie. Om de motorvermogen-dichtheid te verhogen, wordt het aantal polenparen meestal verhoogd, wat een nog hogere PWM-schakelfrequentie vereist. De toepassing van SiC zou een nieuwe ronde van verbeteringen en innovaties in de motorontwerp aanzwengelen.