Aplicații

Inversor de Frecvență Variabilă (VFD) este utilizat în mod extens în domeniile industriale și automobile. Tehnologia cheie constă în modulația cu lărgimea impulsului la frecvențe ridicate (PWM) prin intermediul comutatoarelor semiconductor. Principial, inverterele cu două niveluri care funcționează la frecvențe de comutare între 4 și 16 kHz generează tensiuni sau curente fundamentale sinusoidale trifazice pentru a acciona motoarele. Pentru tensiuni ale busei de 400V sau mai mari, IGBT-uri domină aplicațiile. Cu apariția MOSFET-urilor SiC cu bandă largă, performanța superioară a dispozitivelor atrage rapid atenția asupra dezvoltării sistemelor de accionament cu motor. Un MOSFET SiC poate reduce pierderile de comutare cu aproximativ 70% față de IGBT-ul său corespondent cu bază de siliciu sau să atingă aceeași eficiență la o frecvență de comutare aproape de 3 ori mai mare. MOSFET-urile SiC, care se comportă ca un rezistor, nu au căderea de tensiune a uniunii PN a IGBT-urilor, ceea ce reducere pierderile de conducție, în special la sarcini ușoare. Cu frecvențe PWM mai ridicate și cu frecvențele fundamentale mai ridicate ale sistemelor de accionament cu motor posibile, un motor poate fi proiectat cu un număr mai mare de poli pentru a reduce dimensiunea motorului. Un motor cu 8 poli poate reduce dimensiunea cu 40% față de un motor cu 2 poli cu aceeași putere de ieșire. Frecvența ridicată de comutare permite proiectarea de motoare cu densitate ridicată. Aceste performanțe arată un potențial mare al MOSFET-urilor SiC în aplicațiile de accionament cu motor cu viteză ridicată, eficientă și cu densitate ridicată. Aplicarea cu succes a MOSFET-urilor SiC în Tesla Model 3 a marcat începutul erei de accionament cu motor bazat pe SiC. Tendința este puternică că MOSFET-urile SiC vor domina aplicațiile de tracțiune automotive, în special pe vehicule cu baterii de 800V, câștigând mai mult spațiu și în aplicațiile industriale de înaltă gamă.

Pentru a exploata în totalitate beneficiile MOSFET-urilor bazate pe SiC, viteza de comutare (dv/dt) și frecvența de comutare ar trebui să fie mărite cu un ordin de mărime sau mai mult față de soluțiile actuale bazate pe IGBT. În ciuda potențialului mare al MOSFET-urilor SiC, aplicarea acestor dispozitive este încă limitată de tehnologia motorului actuală și structura sistemului de conducere. Majoritatea motorilor au o inducție ridicată a bobinei și o capacitățe parasită mare. Un cablu trifazat care conectează un motor la un inversor formează esențial un circuit LC, așa cum se arată mai jos. Tensiunea de ieșire a inversorului cu un dv/dt ridicat poate excita circuitul LC, iar creșterea tensiunii la terminalele motorului poate ajunge să fie de două ori mai mare decât tensiunea de ieșire a inversorului. Acest lucru adaugă o presiune semnificativă de tensiune asupra bobinei motorului.

Când inversorul este montat direct la motor, fenomenul de rezonanță a tensiunii cablurilor dispare. Cu toate acestea, schimbarea bruscă a tensiunii dv/dt va fi aplicată direct bobineelor, așa cum este ilustrat mai jos, ceea ce poate accelera îmbătrânirea bobinei. Mai mult, tensiunea ridicată dv/dt poate induce un curent în țevaj și cauza eroziunea țevajului și eșec prematur.

O altă problemă potențială este EMI (interferența electromagnetică). dv/dt ridicat și di/dt ridicat pot induce o emisie mai mare a interferenței electromagnetice. Toate proiectele trebuie să țină cont de aceste efecte atât pentru soluțiile bazate pe IGBT, cât și pe cele bazate pe SiC.

Pentru a reduce aceste probleme, s-au dezvoltat diferite tehnici. Dacă un motor și un driver cu inversor trebuie să fie separați, un filtru dv/dt sau un filtru sinusoidal este o soluție eficientă, dar cu anumite costuri adăugate. În sine, conceperea motorului s-a îmbunătățit de când inversorii cu IGBT au devenit disponibili comercial. Cu cabluri magnetice mai bine izolate și o structură îmbunătățită a bobinei motoarelor și metode de scutire, capacitatea motorului de gestionare a dv/dt s-a îmbunătățit substanțial de la câteva V/ns inițial și va ajunge în cele din urmă la obiectivul de 40-50V/ns. Inversorii bazati pe SiC sunt foarte eficienți, atingând de obicei o eficiență de 98,5% la 40kHz și 99% la 20kHz. Din cauza pierderilor driverului, integrarea conducării motoarelor devine posibilă și o soluție sistem atrăgătoare, care elimină toate cablurile și conexiunile de terminale, reducând dimensiunea și costul sistemului. Un driver de inversor complet încins și motor este un mod eficient de a reduce emisia EMI. Curenții de rostogol pot fi depășiți prin scurtcircuitarea axei motorului la stator cu o sprângănenie sau periuță întreagroundată. Conducări integrale ale motoarelor, compacte, eficiente și cu greutate mică, sunt folosite pe scară largă în robote industriale, drone aerene și subacvatice, etc.

Pe lângă reducerea dimensiunii sistemului de propulsie, SiC MOSFET-urile permit și conducerea la înaltă viteză. Conducerea la înaltă viteză a câștigat o atenție tot mai mare în domeniile automotive, aerospațial, broașe, pompe și compresoare. Conducerea la înaltă viteză a devenit stare de artă pentru unele dintre aplicațiile menționate mai sus, în timp ce în unele aplicații de nicșă, adoptarea conducerei la înaltă viteză a îmbunătățit performanțele și capacitatea în ceea ce privește calitatea produselor și inovația produsului.

Aplicații cu Conducere Integrată

Pentru a oferi o conduce sinusoidală netedă, frecvența de comutare a VFD trebuie să fie cel puțin 50 de ori mai mare decât frecvența curentului alternativ. Prin urmare, frecvența de comutare, perechea de poli și viteza motorului au următoarea relație:

f_PWM = 50∙ Pereche-Poli ∙ rpm /60

Exact, pentru un motor obișnuit cu 4 poli, pentru a ajunge la 10 krpm, f_PWM trebuie să fie de 16,6 kHz, ceea ce reprezintă aproximativ frecvența maximă de comutare a IGBT-urilor. Prin urmare, pentru orice viteza a motorului peste 10 krpm, tranzistorii SiC MOSFET devin o opțiune preferată sau chiar singura valabilă. Pentru a crește densitatea puterii motorului, numărul de perechi de poli este de obicei crescut, ceea ce necesită o frecvență de comutare PWM și mai mai mare. Aplicarea tehnologiei SiC ar declanșa o nouă rundă de îmbunătățiri și inovații în proiectarea motorurilor.