Aplikácie

Premenná frekvenčná prevodnica (VFD) sa široko používa v priemyselnom a automobilovom odvetví. Klúčová technológia je vysokofrekvenčná pulzová šírka modulácie (PWM) pomocou polovodičových prepinaní. Predovšetkým dvojúrovňové invertery pracujúce na frekvenciach prepinania v rozsahu 4 do 16 kHz generujú triónové sinusoidálne základné napätia alebo prúdy na ovládanie motorov. Pre autobusové napätie 400V a vyššie dominujú IGBT v aplikácii. S vytvorením širokoprúdnych SiC MOSFET sa ich vynikajúca schopnosť prepinania rýchlo stala predmetom veľkej pozornosti v rozvoji ovládania motorov. SiC MOSFET dokáže znížiť straty pri prepinaní asi o 70 % voči svojmu protipolu Silíciovému IGBT alebo dosiahnuť rovnakú účinnosť pri troma krát vyššej frekvencii prepinania. SiC MOSFET, ktorý sa správa ako rebrík, nemá PN spojové spadnutie napätia IGBT, čo zníži prechodové straty, osobitne pri slabších záťažiach. Vyššie PWM frekvencie a vyššie základné frekvencie ovládania motoru sú možné dosiahnuť, môže byť motor navrhnutý s väčším počtom polí, aby sa znížila veľkosť motoru. Osem-polový motor môže znížiť veľkosť o 40 % voči dvojpolovému motore so rovnakou výstupnou mocninosťou. Vysoká frekvencia prepinania umožňuje husté návrhy motorov. Tieto výkony ukazujú veľký potenciál SiC MOSFET v aplikáciách vysokorýchlostných, účinných a hustých ovládačov motorov. Úspešná aplikácia SiC MOSFET v Tesla Model 3 označila začiatok era ovládačov motorov založených na SiC. Trend je silný, že SiC MOSFET bude dominovať v automobilových traktových aplikáciách, osobitne v vozidlách s akumulátormi 800V a získajú viac podielu v priemyselných vysokoúrovňových aplikáciách.

Pre plné využitie výhody SiC MOSFETov by mala byť zvýšená rýchlosť prepinania (dv/dt) a frekvencia prepinania aspoň o jedno rádenie viac v porovnaní s aktuálnymi IGBT-bazovanými riešeniami. Navzdory veľkej potenciálu SiC MOSFETov, ich aplikácia je stále obmedzená súčasnou technológiou motorov a štruktúrou pohonového systému. Väčšina motorov má vysokú indukciu navinutia a veľkú parasitnú kapacitu. Triedny kábl spojujúci motor s inverterom tvorí podstatne LC obvod, ako je ukázané nižšie. Vysoká hodnota dv/dt napätia na výstupe invertera môže buziť LC obvod a impulzové napätie na termináloch motoru môže dosiahnuť dvojnásobok výstupného napätia invertera. Prirnenie pridá významný elektrický stress na navinutie motoru.

Keď je inverter priamo pripojený k motoru, účinok oscilácie napätia v kablikoch už viac neexistuje. Avšak, vysoká zmena napätia dv/dt sa bude priamo prejavovať na vonkajších závitoch, ako je znázornené nižšie, čo môže ubystríť starnutie závitov. navyše môže vysoká zmena napätia dv/dt vyvolávať prúd v ložiskách a spôsobiť ich eroziu a predčasnú zlyhanie.

Ďalším potenciálnym problémom je elektromagnetická poruchovosť (EMI). Vysoké hodnoty dv/dt a di/dt môžu spôsobiť vyššiu emisию elektromagnetických poruch. Všetky dizajny musia tieto efekty brať do úvahy obojako pre riešenia s IGBT aj s SiC.

Na zmierňovanie týchto problémov boli vyvinuté rôzne techniky. Ak musí byť motor a inverterový ovládač oddelené, dv/dt hraničný filter alebo sinusoidálny filter je účinnou riešením, avšak s určitým pridánim nákladov. Vlastná konštrukcia motora sa neustále vylepšuje od času, keď sa IGBT invertery stali komerčne dostupné. S lepším izolovaním magnetických drôtov, vylepšenou štruktúrou navinutia motoreckej katúše a metódami štítenia sa schopnosť motora zacvičovať dv/dt významne zvýšila od pár V/ns na začiatku a nakoniec dosiahne cieľ 40-50V/ns. Invertery založené na SiC sú veľmi efektívne s účinnosťou obvykle dosahujúcou 98,5% pri 40kHz a 99% pri 20kHz. Kvôli stratám ovládača sa stáva integrovaný motorový ovládač praktickým a atraktívnym systémovým riešením, ktoré eliminovalo všetky káble a spoje terminálov a znížilo veľkosť a náklady systému. Plne uzavretý inverterový ovládač a motor je efektívny spôsob na zníženie emisie EMI. Proud cez ložiská môže byť preveden krátkym spojením osi motora s statorom pomocou zemenoj predajne alebo šete. Kompaktné, vysoce efektívne, nízkeho hmotnosti a integrované motorové ovládače sú široko používané v priemyselných robotoch, vzdušných a ponorných dronoch atď.

Okrem zmenšenia veľkosti pohonového systému umožňujú SiC MOSFETy aj vysokošíľový pohon. Vysokošíľové pohony sa stále viac uplatňujú v automobilovej, leteckej oblasti, v oblasti hmotnostných motorov, čerpadiel a kompresorov. Vysokošíľové pohony sa stali štandardom pre niektoré z uvedených aplikácií, zatiaľ čo v niektorých odvetviach ich použitie posunulo výkon a schopnosti v súvislosti s kvalitou produkcie a inovačnosťou.

Integrované pohonné aplikácie

Pre poskytnutie plynulého sinusoidálneho pohonu musí byť prepinacia frekvencia IZP aspoň 50-krát vyššia ako frekvencia prúdu AC. Preto má prepinacia frekvencia, počet párov polí a rýchlosť motora nasledujúci vzťah:

f_PWM = 50∙ Počet-pár-polí ∙ ot/min \/60

Pokiaľ ide o bežný 4-pólový motor, aby sa dosiahol 10 krpm, musí byť f_PWM 16,6 kHz, čo je asi maximálna prepinacia frekvencia IGBT. Preto pre akúkoľvek rýchlosť motora nad 10 krpm sa stávajú SiC MOSFETy preferovanou alebo jedinou platnou možnosťou. Na zvýšenie hustoty výkonu motora sa obvykle zvyšuje počet párov pólov, čo vyžaduje ešte vyššiu frekvenciu PWM prepinania. Použitie SiC podporí novú vlnu vylepšovania a inovácie v dizajne motorov.