Применения

Инвертор частоты (VFD) получил широкое распространение в промышленности и автомобильной отрасли. Основная технология — это высокочастотная пульсационная ширина модуляции (PWM) с использованием полупроводниковых ключей. В основном двухуровневые инверторы, работающие на частотах переключения в диапазоне от 4 до 16 кГц, создают трехфазные синусоидальные основные напряжения или токи для привода двигателей. При напряжении шины 400 В и выше IGBT доминируют в применении. С появлением широкозонных SiC MOSFET их превосходная коммутационная производительность быстро привлекла внимание к разработке приводов двигателей. SiC MOSFET может снизить потери при коммутации примерно на 70% по сравнению с аналогичными Si IGBT или достичь той же эффективности при почти тройной частоте переключения. Поведение SiC MOSFET, подобное резистору, не имеет падения напряжения PN-перехода у IGBT, что снижает потери при проводимости, особенно при легких нагрузках. Благодаря более высоким частотам PWM и достижимым базовым частотам привода двигателя, двигатель можно спроектировать с большим количеством полюсов для уменьшения его размера. Двигатель с 8 полюсами может уменьшить размер на 40% по сравнению с двигателем с 2 полюсами при той же выходной мощности. Высокая частота переключения позволяет создавать компактные конструкции двигателей. Эти характеристики показывают большой потенциал SiC MOSFET для применения в высокоскоростных, высокоэффективных и плотных приводах двигателей. Успешное применение SiC MOSFET в Tesla Model 3 ознаменовало начало эры приводов двигателей на основе SiC. Тенденция такова, что SiC MOSFET будут доминировать в автомобильных тяговых приложениях, особенно в автомобилях с батареями 800 В, а также получат большую долю в промышленных высококлассных приложениях.

Для полного использования преимуществ SiC MOSFET необходимо увеличить скорость переключения (dv/dt) и частоту переключения как минимум в десять раз по сравнению с текущими решениями на основе IGBT. Несмотря на большой потенциал SiC MOSFET, их применение всё ещё ограничивается современными технологиями двигателей и конструкцией приводных систем. Большинство двигателей имеют высокое индуктивное сопротивление обмоток и большую паразитную ёмкость. Трёхфазный кабель, соединяющий двигатель с инвертором, фактически формирует LC-цепь, как показано ниже. Высокое значение dv/dt напряжения на выходе инвертора может возбудить LC-цепь, и амплитуда напряжения на выводах двигателя может достичь удвоенного значения выходного напряжения инвертора. Это создаёт значительное напряжённостное напряжение на обмотках двигателя.

Когда инвертор непосредственно подключен к двигателю, колебания напряжения в кабеле больше не существуют. Однако высокая скорость изменения напряжения dv/dt будет применяться непосредственно к обмоткам, как показано ниже, что может ускорить старение обмоток. Кроме того, высокое значение dv/dt может вызвать ток в подшипниках и привести к их износу и преждевременному выходу из строя.

Другой потенциальной проблемой является ЭМИ. Высокие значения dv/dt и di/dt могут вызывать повышенные электромагнитные помехи. Все конструкции должны учитывать эти эффекты как для решений на основе IGBT, так и для решений на основе SiC.

Для уменьшения этих проблем были разработаны различные техники. Если двигатель и привод инвертора должны быть разделены, фильтр края dv/dt или синусоидальный фильтр является эффективным решением, но с некоторыми дополнительными затратами. Сама конструкция двигателя постоянно совершенствуется с момента появления на рынке инверторов на основе ИГБТ. Благодаря лучшей изоляции магнитных проводников и улучшенной структуре обмотки двигателя и методам экранирования, способность двигателей обрабатывать dv/dt значительно увеличилась с начальных значений нескольких V/нс и в конечном итоге достигнет цели 40-50V/нс. Инверторы на основе SiC очень эффективны, их КПД обычно достигает 98,5% при 40кГц и 99% при 20кГц. Из-за потерь в приводе, интегрированный привод двигателя становится осуществимым и привлекательным системным решением, которое исключает все кабели и соединения терминалов, снижая размер и стоимость системы. Полностью закрытый инверторный привод и двигатель — это эффективный способ снижения электромагнитных помех. Ток подшипника может быть обойден путем соединения вала двигателя с статором через заземленную пружину или щетку. Компактные высокоэффективные, легковесные и интегрированные приводы двигателей широко используются в промышленных роботах, летательных и подводных дронах и т.д.

Помимо сокращения размеров системы привода, транзисторы SiC MOSFET также позволяют осуществлять высокоскоростной привод. Высокоскоростные приводы вызывают всё больший интерес в автомобильной промышленности, авиакосмической отрасли, шпинделях, насосах и компрессорах. Высокоскоростные приводы стали стандартом для некоторых из упомянутых выше приложений, а в некоторых специализированных областях внедрение высокоскоростных приводов повысило производительность и возможности в терминах качества продукции и инноваций.

Интегрированные приложения приводов

Для обеспечения плавного синусоидального привода частота переключения ЧПУ должна быть как минимум в 50 раз выше, чем частота переменного тока. Таким образом, между частотой переключения, количеством пар полюсов и скоростью двигателя существует следующая связь:

f_PWM = 50∙ Количество-пар-полюсов ∙ об/мин /60

То есть, для обычного 4-полюсного двигателя, чтобы достичь 10 коб/мин, f_PWM должен быть 16,6 кГц, что примерно равно максимальной частоте переключения ИГБТ. Следовательно, для любой скорости вала двигателя выше 10 коб/мин, SiC-МОПФЭТы становятся предпочтительным или единственным допустимым вариантом. Для увеличения удельной мощности двигателя обычно увеличивают количество пар полюсов, что требует еще более высокой частоты переключения ШИМ. Применение SiC толкнет новое улучшение и инновации в проектировании двигателей.