Toepassingen Nederland

Variabele frequentieaandrijving (VFD) wordt veel gebruikt in industriële en automobielsectoren. De belangrijkste technologie is hoogfrequente pulsbreedtemodulatie (PWM) met behulp van halfgeleiderschakelaars. Voornamelijk twee-niveau-omvormers die werken op schakelfrequenties in het bereik van 4 tot 16 kHz genereren driefasige sinusoïdale fundamentele spanningen of stromen om motoren aan te drijven. Voor busspanning van 400 V en hoger domineren IGBT's de toepassing. Met de opkomst van SiC-MOSFET's met brede bandafstand trekken de superieure schakelprestaties van de apparaten al snel grote aandacht bij de ontwikkeling van motoraandrijvingen. Een SiC MOSFET kan het schakelverlies met ongeveer 70% van zijn tegenhanger Si IGBT's verminderen of dezelfde efficiëntie bereiken bij een schakelfrequentie van bijna 3x. SiC MOSFET's, die zich gedragen als een weerstand, ontbreken de PN-overgangsspanningsval van IGBT's, wat geleidingsverlies vermindert, vooral bij lichte belastingen. Omdat hogere PWM-frequenties en hogere fundamentele frequenties van de motoraandrijving haalbaar zijn, kan een motor worden ontworpen met een groter poolaantal om de motorgrootte te verkleinen. Een 8-polige motor kan de grootte met 40% verkleinen ten opzichte van een 2-polige motor met hetzelfde uitgangsvermogen. De hoge schakelfrequentie maakt een motorontwerp met hoge dichtheid mogelijk. Deze prestaties tonen een groot potentieel aan SiC-MOSFET's voor motoraandrijftoepassingen met hoge snelheid, hoog rendement en hoge dichtheid. De succesvolle toepassing van SiC MOSFET's op Tesla Model 3 markeerde het begin van het op SiC gebaseerde tijdperk van motoraandrijvingen. De tendens is sterk dat SiC-MOSFET's de tractietoepassingen in de automobielsector zouden domineren, vooral op voertuigen met 800V-batterijen, en een groter aandeel zouden verwerven in industriële high-end toepassingen.

Om de voordelen van SiC MOSFET's volledig te benutten, moeten de schakelsnelheid (dv/dt) en schakelfrequentie met één orde van grootte of meer worden verhoogd ten opzichte van de huidige op IGBT gebaseerde oplossingen. Ondanks het grote potentieel van SiC-MOSFET's wordt de toepassing van de apparaten nog steeds beperkt door de huidige motortechnologie en aandrijfsysteemstructuur. De meeste motoren hebben een hoge wikkelinductie en een grote parasitaire capaciteit. Een driefasige kabel die een motor met een omvormer verbindt, vormt in wezen een LC-circuit, zoals hieronder weergegeven. De hoge dv/dt-spanning aan de uitgang van de omvormer kan het LC-circuit prikkelen en de spanningspiek op de motorklemmen kan wel tweemaal zo groot zijn als de uitgangsspanning van de omvormer. Het voegt aanzienlijke spanningsbelasting toe aan de motorwikkelingen.

Wanneer de omvormer rechtstreeks op de motor is aangesloten, bestaat er geen sprake meer van kabelspanningspieken. De hoge dv/dt-spanningsverandering zou echter rechtstreeks op de wikkelingen worden toegepast, zoals hieronder weergegeven, wat de veroudering van de wikkelingen kan versnellen. Bovendien kan de hoge dv/dt-spanning een lagerstroom veroorzaken en lagererosie en voortijdig falen veroorzaken.

Een ander potentieel probleem is EMI. Hoge dv/dt en hoge di/dt kunnen een hogere emissie van elektromagnetische interferentie veroorzaken. Bij alle ontwerpen moet rekening worden gehouden met deze effecten voor zowel IGBT- als SiC-gebaseerde oplossingen.

Om deze problemen te verzachten, zijn er verschillende technieken ontwikkeld. Als een motor en een inverterdriver gescheiden moeten worden, is een dv/dt-randfilter of sinusoïdaal filter een effectieve oplossing, maar met enige extra kosten. Het motorontwerp zelf is verbeterd sinds IGBT-omvormers commercieel verkrijgbaar zijn. Met beter geïsoleerde magnetische draden en verbeterde wikkelingsstructuur en afschermingsmethoden van de motorspoelen is het dv/dt-verwerkingsvermogen van motoren aanzienlijk verbeterd, van aanvankelijk een paar V/ns, en zal uiteindelijk het doel van 40-50 V/ns bereiken. SiC-gebaseerde omvormers zijn zeer efficiënt en bereiken doorgaans 98.5% bij 40 kHz en 99% bij 20 kHz. Door het verlies van de driver wordt geïntegreerde motoraandrijving haalbaar en een aantrekkelijke systeemoplossing, die alle kabels en terminalverbindingen elimineert en de systeemomvang en -kosten reduceert. De volledig gesloten inverterdriver en motor zijn een effectieve manier om de EMI-emissie te verminderen. De lagerstroom kan worden omzeild door de motoras met de stator te kortsluiten met een geaarde veer of borstel. Compacte, zeer efficiënte, lichtgewicht en geïntegreerde motoraandrijvingen worden veel gebruikt in industriële robots, drones in de lucht en onder water, enz

Naast het verkleinen van de grootte van het aandrijfsysteem, maken SiC MOSFET's ook aandrijving op hoge snelheid mogelijk. Hogesnelheidsaandrijvingen hebben een groeiende belangstelling gekregen in de automobielsector, de ruimtevaart, spindels, pompen en compressoren. Hogesnelheidsaandrijvingen zijn state-of-the-art geworden voor sommige van de bovengenoemde toepassingen, terwijl in sommige nichetoepassingen het gebruik van hogesnelheidsaandrijvingen de prestaties en mogelijkheden in termen van productkwaliteit en productinnovatie heeft verbeterd.

Geïntegreerde schijftoepassingen

Om een ​​soepele sinusoïdale aandrijving te bieden, moet de VFD-schakelfrequentie minstens 50 keer hoger zijn dan de wisselstroomfrequentie. Daarom hebben de schakelfrequentie, het poolpaar en het motortoerental de volgende relatie:

f_PWM = 50∙ Poolpaar ∙ rpm /60

Om met een gewone 4-polige motor 10 krpm te bereiken, moet f_PWM namelijk 16.6 kHz zijn, wat ongeveer de maximale IGBT-schakelfrequentie is. Daarom worden SiC MOSFET's voor elk motortoerental boven 10 krpm een ​​voorkeurs- of enige geldige optie. Om de motorvermogensdichtheid te vergroten, wordt het aantal poolparen gewoonlijk verhoogd, wat een nog hogere PWM-schakelfrequentie vereist. De toepassing van SiC zou de verbetering en innovatie van het motorontwerp in een nieuwe ronde stimuleren.