Applikasjoner

Variable Frequency Drive (VFD) har vært mye brukt i industri- og bilområder. Nøkkelteknologien er høyfrekvent pulsbreddemodulasjon (PWM) ved bruk av halvlederbrytere. Hovedsakelig to-nivå omformere som opererer ved svitsjefrekvenser i området 4 til 16 kHz genererer trefase sinusformede grunnspenninger eller strømmer for å drive motorer. For 400V og over bussspenning dominerer IGBT-er applikasjonen. Med fremveksten av SiC MOSFET-er med brede båndgap, tiltrekker enhetenes overlegne bytteytelse raskt stor oppmerksomhet på utvikling av motordrift. En SiC MOSFET er i stand til å redusere svitsjetapet med rundt 70 % av motparten Si IGBT-er eller oppnå samme effektivitet ved nesten 3x svitsjefrekvens. SiC MOSFET-er, som oppfører seg som en motstand, mangel på IGBTs PN-kryss spenningsfall, noe som reduserer ledningstap, spesielt ved lette belastninger. Med høyere PWM-frekvenser og høyere motordrifts grunnleggende frekvenser oppnåelige, kan en motor designes med et større poltall for å redusere motorstørrelsen. En 8-polet motor kan redusere størrelsen med 40 % av en 2-polet motor med samme utgangseffekt. Høy svitsjefrekvens muliggjør motordesign med høy tetthet. Disse ytelsene viser et stort potensial for SiC MOSFET-er på høyhastighets, høy effektivitet og høydensitetsmotordriftsapplikasjoner. Den vellykkede bruken av SiC MOSFET-er på Tesla Model 3 markerte begynnelsen på den SiC-baserte motordrive-æraen. Tendensen er sterk til at SiC-MOSFET-er vil dominere bildriftsapplikasjoner, spesielt på 800V batterikjøretøyer og få større andel på industrielle avanserte applikasjoner.

For å fullt ut utnytte fordelen med SiC MOSFET-er, bør svitsjhastigheten (dv/dt) og svitsjefrekvensen økes med én størrelsesorden eller mer fra dagens IGBT-baserte løsninger. Til tross for det store potensialet til SiC MOSFET-er, er enhetenes anvendelse fortsatt begrenset av gjeldende motorteknologi og drivsystemstruktur. De fleste motorer har høy viklingsinduktans og stor parasittisk kapasitans. En trefasekabel som kobler en motor til en omformer danner i hovedsak en LC-krets, som vist nedenfor. Den høye dv/dt-spenningen ved vekselretterutgangen kan eksitere LC-kretsen, og spenningsspissen ved motorterminalene kan ringe så mye som to ganger av vekselretterens utgangsspenning. Det tilfører betydelig spenningsspenning på motorviklingene.

Når omformeren er direkte koblet til motoren, eksisterer ikke kabelspenningsringing lenger. Imidlertid vil den høye dv/dt spenningsendringen påføres viklingene direkte som vist nedenfor, noe som kan akselerere viklingsaldring. Videre kan den høye dv/dt-spenningen indusere en lagerstrøm og forårsake lagererosjon og for tidlig feil.

Et annet potensielt problem er EMI. Høy dv/dt og høy di/dt kan indusere høyere elektromagnetisk interferensutslipp. Alle design må ta hensyn til disse effektene for både IGBT- og SiC-baserte løsninger.

For å redusere disse problemene er det utviklet forskjellige teknikker. Hvis en motor og en inverterdriver må skilles, er et dv/dt kantfilter eller sinusformet filter en effektiv løsning, men med en del kostnader i tillegg. Motordesign i seg selv har blitt bedre siden IGBT-omformere ble kommersielt tilgjengelige. Med bedre isolerte magnetiske ledninger og forbedret motorspoleviklingsstruktur og skjermingsmetoder, har motorers dv/dt-håndteringsevne blitt vesentlig forbedret fra noen få V/ns i utgangspunktet, og den vil til slutt nå målet på 40-50V/ns. SiC-baserte omformere er svært effektive med effektivitet som vanligvis når 98.5 % ved 40 kHz og 99 % ved 20 kHz. På grunn av drivertapet blir integrert motordrift mulig og en attraktiv systemløsning, som eliminerer alle kabler og terminalforbindelser og reduserer systemstørrelse og kostnad. Helt lukket inverterdriver og motor er en effektiv måte å redusere EMI-utslipp på. Lagerstrømmen kan omgås ved å kortslutte motorens aksel til stator med en jordet fjær eller børste. Kompakte høyeffektive, lavvekts og integrerte motordrev er mye brukt i industriroboter, luftbårne og undervannsdroner osv.

I tillegg til reduksjon av drivsystemstørrelse, muliggjør SiC MOSFET-er også høyhastighetskjøring. Høyhastighetsdrev har fått en økende interesse for bil, romfart, spindler, pumper og kompressorer. Høyhastighetsdrev har blitt toppmoderne for noen av de nevnte bruksområdene, mens i noen nisjeapplikasjoner har bruken av høyhastighetsdrev forbedret ytelsen og mulighetene når det gjelder produktkvalitet og produktinnovasjon.

Integrerte Drive-applikasjoner

For å gi en jevn sinusformet drift, må VFD-svitsjefrekvensen være minst 50 ganger høyere enn vekselstrømsfrekvensen. Derfor har byttefrekvens, polpar og motorhastighet følgende forhold:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

For at en vanlig 4-polet motor skal nå 10 krpm, må f_PWM være 16.6 kHz, som er omtrent den maksimale IGBT-svitsjefrekvensen. Derfor, for enhver motorhastighet over 10 krpm, blir SiC MOSFET-er et foretrukket eller eneste gyldig alternativ. For å øke motoreffekttettheten økes vanligvis polpartallet, noe som krever en enda høyere PWM-svitsjefrekvens. Anvendelsen av SiC vil drive frem en ny rundes motordesignforbedring og innovasjon.