Wnioski

Zmiennoprędkościowy Napęd Częstotliwościowy (VFD) jest powszechnie stosowany w przemyśle i automatyce. Kluczową technologią jest modulacja szerokości impulsów o wysokiej częstotliwości (PWM) przy użyciu przełączników półprzewodnikowych. Głównie dwupoziomowe inwertery pracujące w zakresie częstotliwości przełączania od 4 do 16 kHz generują trójfazowe napięcia lub prądy sinusoidalne podstawowe do napędu silników. Dla napięć szyny 400V i wyższych, IGBT-y dominują w zastosowaniach. Wraz z pojawieniem się szerokopasmowych tranzystorów SiC MOSFET, ich wybitna wydajność przełączania szybko przyciągnęła uwagę w zakresie rozwoju napędów silników. Tranzystor SiC MOSFET może zmniejszyć straty przełączania o około 70% w porównaniu do odpowiednika IGBT na bazie krzemu lub osiągnąć tę samą wydajność przy częstotliwościach przełączania bliskich 3x większym niż dotychczas. Tranzystory SiC MOSFET zachowują się jak rezystory i nie mają spadku napięcia PN charakterystycznego dla IGBT-ów, co redukuje straty przewodzenia, zwłaszcza przy małych obciążeniach. Dzięki możliwości osiągnięcia wyższych częstotliwości PWM i podstawowych częstotliwości napędu silników, można zaprojektować silnik o większej liczbie biegunów, aby zmniejszyć jego rozmiar. Silnik o 8 biegunach może zmniejszyć swój rozmiar o 40% w porównaniu do silnika o 2 biegach przy tej samej mocy wyjściowej. Wysoka częstotliwość przełączania umożliwia projektowanie gęstszych silników. Te wydajności pokazują ogromny potencjał tranzystorów SiC MOSFET w zastosowaniach dotyczących wysokich prędkości, efektywności i gęstości napędu silników. Pomyślne zastosowanie tranzystorów SiC MOSFET w Tesla Model 3 oznaczyło początek ery napędów silników opartych na technologii SiC. Tendencja jest mocna, że tranzystory SiC MOSFET będą dominować w zastosowaniach motorniczych w sektorze samochodowym, zwłaszcza w pojazdach z bateriami 800V, a także będą zdobywać coraz większą popularność w zastosowaniach przemysłowych klasy high-end.

Aby w pełni wykorzystać korzyści płynące z użycia tranzystorów SiC MOSFET, prędkość przemiennika (dv/dt) i częstotliwość przemiennika powinny zostać podniesione o co najmniej jeden rzędień magnitudy w stosunku do obecnych rozwiązań opartych na IGBT. Pomimo wielkiego potencjału tranzystorów SiC MOSFET, ich zastosowanie jest wciąż ograniczone przez obecną technologię silników i strukturę systemów napędowych. Większość silników ma dużą indukcyjność zwijek oraz znaczną pojemność parasyczna. Przewód trójfazowy łączący silnik z inwerterem tworzy zasadniczo obwód LC, jak pokazano poniżej. Wysokie napięcie dv/dt na wyjściu invertera może pobudzić obwód LC, a impuls napięcia na terminalach silnika może osiągnąć wartość dwukrotnie większą niż napięcie wyjściowe invertera. Dodaje to istotne obciążenie napięciowe dla zwijek silnika.

Gdy inwerter jest bezpośrednio podłączony do silnika, efekt drgania napięcia w przewodach przestaje istnieć. Jednakże, szybka zmiana napięcia dv/dt będzie直接影响 na wiązki magnetyczne, jak pokazano poniżej, co może przyspieszyć starzenie się wiązek. Ponadto, wysokie napięcie dv/dt może wytworzyć prąd w łożyskach i spowodować ich erozję oraz wcześniejsze uszkodzenie.

Kolejnym potencjalnym problemem jest EMI. Wysokie wartości dv/dt i di/dt mogą generować większą elektromagnetyczną interferencję. Wszystkie konstrukcje muszą uwzględnić te efekty zarówno dla rozwiązań opartych na IGBT, jak i na SiC.

Aby zmniejszyć te problemy, opracowano różne techniki. Jeśli silnik i sterownik odwracający muszą zostać rozdzielone, filtr krawędziowy dv/dt lub filtr sinusoidalny jest skutecznym rozwiązaniem, aczkolwiek z pewnymi dodatkowymi kosztami. Samej konstrukcji silnika udoskonala się od momentu, gdy inwertery IGBT stały się dostępne komercyjnie. Dzięki lepiej izolowanym magnetycznym przewodom oraz poprawionym strukturom owijania cewek silników i metodom tarcia, zdolność silników do obsługi sygnału dv/dt wzrosła znacznie od początkowych kilku V/ns i ostatecznie osiągnie cel 40-50V/ns. Inwertery oparte na SiC są bardzo wydajne, osiągając zwykle 98,5% wydajności przy 40kHz i 99% przy 20kHz. Ze względu na straty w sterowniku, zintegrowany napęd silnikowy staje się realistycznym i pociągającym rozwiązaniem systemowym, które eliminuje wszystkie kablowe połączenia i terminalowe łącza, redukując rozmiar i koszty systemu. Pełne zamknięcie sterownika inwersora i silnika jest efektywnym sposobem na zmniejszenie emisji EMI. Prąd wałka może być obciążony przez połączenie wałka silnika ze statora za pomocą naciśniętej sprężyny lub szczotki podłączanej do ziemi. Kompaktowe, wysoce wydajne, lekkie i zintegrowane napędy silników znajdują szerokie zastosowanie w robotach przemysłowych, dronach powietrznych i podwodnych itp.

Ponadto, redukcja rozmiaru układu napędowego, SiC MOSFETy umożliwiają również wysokoprędkościowe sterowanie. Wysokoprędkościowe układy napędowe zyskują rosnące zainteresowanie w sektorach motoryzacyjnym, lotniczym, wirnikówowych, pomp i kompresorów. Wysokoprędkościowe układy napędowe stały się standardem w niektórych wymienionych aplikacjach, podczas gdy w niektórych niszowych zastosowaniach, przyjęcie wysokoprędkościowych układów napędowych poprawiło wydajność i możliwości w zakresie jakości produktu oraz innowacji produkcyjnych.

Zintegrowane Aplikacje Napędowe

Aby zapewnić gładkie sinusoidalne sterowanie, częstotliwość przemiennika VFD musi być co najmniej 50 razy większa niż częstotliwość prądu przemiennego. Dlatego między częstotliwością przemiennika, liczbą par biegunowych i prędkością silnika istnieje następujący związek:

f_PWM = 50∙ Para-Biegunowa ∙ ob/min /60

Konkretnie, dla typowego czteropólowego silnika, aby osiągnąć 10 krpm, f_PWM musi wynosić 16,6 kHz, co jest mniej więcej maksymalną częstotliwością przełączania IGBT. Dlatego dla jakichkolwiek prędkości obrotowych silnika powyżej 10 krpm, tranzystory MOSFET z SiC stają się preferowaną lub jedyną prawidłową opcją. Aby zwiększyć gęstość mocy silnika, liczba par biegunów jest zwykle zwiększana, co wymaga jeszcze wyższej częstotliwości przełączania PWM. Zastosowanie technologii SiC spowodowałoby nową falę poprawek i innowacji w projektowaniu silników.