Aplicações

O Inversor de Frequência Variável (VFD) tem sido amplamente utilizado nas áreas industrial e automotiva. A tecnologia-chave é a modulação de largura de pulso de alta frequência (PWM) utilizando interruptores semicondutores. Principalmente inversores de dois níveis operando em frequências de comutação na faixa de 4 a 16 kHz geram tensões fundamentais senoidais trifásicas ou correntes para acionar motores. Para tensões de barramento de 400V e superiores, os IGBTs dominam as aplicações. Com o surgimento dos SiC MOSFETs de banda larga, o desempenho superior de comutação desses dispositivos atraiu grande atenção no desenvolvimento de sistemas de acionamento de motores. Um SiC MOSFET pode reduzir a perda de comutação em cerca de 70% em relação ao seu equivalente Si IGBT ou alcançar a mesma eficiência em quase 3x a frequência de comutação. Os SiC MOSFETs, que se comportam como resistores, não têm a queda de tensão da junção PN dos IGBTs, o que reduz a perda de condução, especialmente sob cargas leves. Com frequências PWM mais altas e frequências fundamentais mais altas do sistema de acionamento do motor alcançáveis, um motor pode ser projetado com um número maior de polos para reduzir o tamanho do motor. Um motor de 8 polos pode reduzir o tamanho em 40% em relação a um motor de 2 polos com a mesma potência de saída. Frequência de comutação alta permite o design de motores de alta densidade. Esses desempenhos mostram um grande potencial dos SiC MOSFETs em aplicações de acionamento de motores de alta velocidade, alta eficiência e alta densidade. A aplicação bem-sucedida dos SiC MOSFETs no Tesla Model 3 marcou o início da era dos sistemas de acionamento de motores baseados em SiC. A tendência é forte de que os SiC MOSFETs dominem as aplicações de tração automotiva, especialmente em veículos com baterias de 800V, e ganhem mais espaço nas aplicações industriais de alto nível.

Para aproveitar plenamente o benefício dos SiC MOSFETs, a velocidade de comutação (dv/dt) e a frequência de comutação devem ser aumentadas em uma ordem de magnitude ou mais em relação às soluções baseadas em IGBT atuais. Apesar do grande potencial dos SiC MOSFETs, a aplicação desses dispositivos ainda é limitada pela tecnologia de motor atual e pela estrutura do sistema de tração. A maioria dos motores possui alta indutância das bobinas e grande capacitância parasita. Um cabo trifásico conectando um motor a um inversor essencialmente forma um circuito LC, como mostrado abaixo. O alto dv/dt na saída do inversor pode excitar o circuito LC e o pico de tensão nos terminais do motor pode atingir até duas vezes a tensão de saída do inversor. Isso adiciona uma significativa tensão de esforço nas bobinas do motor.

Quando o inversor está diretamente conectado ao motor, o efeito de ressonância de tensão no cabo não existe mais. No entanto, a alta variação de tensão dv/dt será aplicada diretamente às bobinas, como ilustrado abaixo, o que pode acelerar o envelhecimento das bobinas. Além disso, a alta tensão dv/dt pode induzir uma corrente nos rolamentos e causar erosão e falha prematura dos mesmos.

Outro problema potencial é a interferência eletromagnética (EMI). Alta dv/dt e alta di/dt podem induzir emissões de interferência eletromagnética maiores. Todos os designs precisam levar em consideração esses efeitos tanto para soluções baseadas em IGBT quanto em SiC.

Para mitigar esses problemas, diferentes técnicas foram desenvolvidas. Se um motor e um inversor de frequência precisam ser separados, um filtro de borda dv/dt ou um filtro sinusoidal é uma solução eficaz, mas com algum custo adicional. O próprio design do motor tem se aperfeiçoado desde que os inversores de IGBT se tornaram comercialmente disponíveis. Com fios magnéticos melhor isolados e uma melhoria na estrutura de enrolamento da bobina do motor e métodos de blindagem, a capacidade de tratamento dv/dt dos motores melhorou substancialmente, de alguns V/ns inicialmente, e eventualmente atingirá a meta de 40-50V/ns. Inversores baseados em SiC são muito eficientes, com eficiência geralmente alcançando 98,5% a 40kHz e 99% a 20kHz. Devido à perda no driver, o motor integrado com drive se torna viável e uma solução de sistema atraente, eliminando todos os cabos e conexões de terminais e reduzindo o tamanho e o custo do sistema. Um inversor de frequência e motor totalmente fechados são uma maneira eficaz de reduzir a emissão de EMI. A corrente de rolamento pode ser desviada conectando o eixo do motor ao estator com uma mola ou pincel aterrado. Motores compactos, altamente eficientes, leves e integrados são amplamente utilizados em robôs industriais, drones aéreos e subaquáticos, etc.

Além da redução do tamanho do sistema de tração, os SiC MOSFETs também permitem a operação em alta velocidade. As aplicações em alta velocidade têm despertado cada vez mais interesse nos setores automotivo, aeroespacial, fusos, bombas e compressores. As operações em alta velocidade se tornaram state of the art para algumas das aplicações mencionadas acima, enquanto que em algumas aplicações nicho, a adoção de sistemas em alta velocidade melhorou o desempenho e as capacidades em termos de qualidade do produto e inovação.

Aplicações de Sistemas de Tração Integrados

Para fornecer uma condução senoidal suave, a frequência de comutação do VFD precisa ser pelo menos 50 vezes maior que a frequência da corrente alternada. Portanto, a frequência de comutação, o número de pares de polos e a velocidade do motor têm a seguinte relação:

f_PWM = 50∙ Par-de-Pólos ∙ rpm / 60

Especificamente, para um motor comum de 4 polos, para atingir 10 kRPM, f_PWM precisa ser de 16,6 kHz, que é aproximadamente a frequência máxima de comutação do IGBT. Portanto, para qualquer velocidade do motor acima de 10 kRPM, os SiC MOSFETs se tornam uma opção preferida ou a única válida. Para aumentar a densidade de potência do motor, o número de pares de polos geralmente é aumentado, o que exige uma frequência de comutação PWM ainda maior. A aplicação de SiC impulsionaria uma nova rodada de melhorias e inovações no design do motor.