Примене

Promenljiva frekvencija pogona (VFD) široko se koristi u industrijskim i automobilskim oblastima. Ključna tehnologija je visokofrekventna modulacija širine impulsa (PWM) pomoću poluprovodničkih prekidača. Glavno, inverteri sa dvostrukim nivoima koji rade na frekvenciji prekidača u opsegu od 4 do 16 kHz generišu trifazne sinusne osnovne napredne napredne stružne napone ili struže da bi pokreli motove. Za bus napon od 400V i više, IGBT prevladava u primeni. Sa pojavom širokog pruznog SiC MOSFET-a, izuzetna prekidna performansa uređaja brzo privlači pažnju na razvoj pogona motora. SiC MOSFET može smanjiti prekidnu gubitku za oko 70% u odnosu na svoje protivnice Si IGBT ili postići istu efikasnost pri skoro 3x većoj frekvenciji prekidača. SiC MOSFET-i, koji se ponašaju kao otpor, nemaju pad napona PN čvarova IGBT-a, što smanjuje provodnu strat, posebno pri laganim opterećenjima. S većim PWM frekvencijama i dostizanjem većih osnovnih frekvencija pogona motora, motor može biti dizajniran sa većim brojem polova kako bi se smanjio veličina motora. Osmopolni motor može smanjiti veličinu za 40% u odnosu na dvopolni motor iste snage. Visoka frekvencija prekidača omogućava gusti dizajn motora. Ove performanse pokazuju ogroman potencijal SiC MOSFET-a u primenama visoke brzine, visoke efikasnosti i gustog pogona motora. Uspešna primena SiC MOSFET-a u Tesli Model 3 označava početak ere pogona motora baziranih na SiC-u. Tendencija je jaka da će SiC MOSFET-i prevladati u primenama trakcijskog automobila, posebno kod vozila sa baterijom od 800V i da dobiju više uloga u visokokvalitetnim industrijskim primenama.

Da bi se potpuno iskoristilo prednost SiC MOSFET-a, brzina prebacivanja (dv/dt) i frekvencija prebacivanja treba da se povećaju za jedan red veličine ili više u odnosu na trenutna rešenja bazirana na IGBT-ovima. Nazadnje, napredak SiC MOSFET uređaja je još uvijek ograničen trenutnom motor tehnologijom i strukturom sistema pogona. Većina motora ima visoku induktivnu vrednost zavojnica i veliku parasitnu kapacitetu. Kabel od tri faze koji spaja motor sa inverterom stvara LC krug, kao što je prikazano u nastavku. Visoka dv/dt napetost na izlazu invertera može pobuditi LC krug i napetosni pik na terminalima motora može biti dva puta veći od napetosti na izlazu invertera. To dodatno stavlja značajan stres na motor zavojnice.

Kada je inverter direktno povezan na motor, oscilacije napona kabele više ne postoje. Međutim, brzi promeni napona dv/dt će biti direktno primenjeni na vitlovinu, kao što je prikazano ispod, što može ubrzati starenje vitlovine. Pored toga, visoki promeni napona dv/dt mogu izazvati tok u ložnim krugovima i prouzročiti eroziju i prekasno oštećenje ložnih krugova.

Još jedan mogući problem je elektromagnetska interferencija (EMI). Visoki dv/dt i visoki di/dt mogu izazvati veće emisije elektromagnetske interferencije. Sve dizajne moraju uzeti u obzir ove efekte za rešenja bazirana na IGBT i SiC.

Da bi se smanjili ovi problemi, razvijene su različite tehnike. Ako moraju da se motor i inverter delimi, dv/dt ivna filter ili sinusoidalni filter predstavlja učinkovito rešenje, ali sa dodatnim troškovima. Samele je konstrukcija motora poboljšavala od kada su IGBT inverteri postali komercijalno dostupni. Boljim izolovanjem magnetskih žica i poboljšanom strukturom zavojnog motornog savijanja i štitnih metoda, sposobnost motora za obradu dv/dt je značajno poboljšana od nekoliko V/ns početno i na kraju će dostići cilj od 40-50V/ns. Inverteri bazirani na SiC-u su veoma efikasni, obično dostižući efikasnost od 98,5% pri 40kHz i 99% pri 20kHz. Zbog gubitaka vođenja, integrirano vođenje motora postaje moguće i privlačno sistemsko rešenje koje eliminira sve kabele i terminalne veze, smanjujući veličinu i troškove sistema. Potpuno zaključeni inverter i motor je učinkovit način da se smanji emisija EMI. Tok preko osove može biti presređen spajanjem osove motora na statore uz pomoć zemljene opruge ili šete. Kompaktna, visokoefikasna, niska-težinska i integrisana vođenja motora široko se koriste u industrijskim robotima, letelima i podvodnim dronama itd.

Pored smanjenja veličine sistemskog pogona, SiC MOSFET tranzistori omogućavaju i visokobrzan pogon. Visokobrzani pogoni su postali sve zanimljiviji u automobilskoj industriji, avijonici, vretnicama, čembenicama i kompresorima. Visokobrzani pogoni su postali standard za neke od navedenih primena, dok u nekim nišnim primenama, upotreba visokobrzanih pogonova poboljšava performanse i mogućnosti u smislu kvaliteta proizvoda i inovacija.

Integrirane primene pogona

Da bi se osiguralo glatko sinusoidno vođenje, frekvencija preključivanja VFD uređaja mora biti bar 50 puta veća od frekvencije strujnog toka AC. Stoga, između frekvencije preključivanja, para polova i brzine motora postoji sledeći odnos:

f_PWM = 50∙ Para-polova ∙ obr/minuta / 60

Imeno, za običan 4-polni motor, da bi se dostiglo 10 krpm, f_PWM mora biti 16.6kHz, što je otprilike maksimalna frekvencija prekida IGBT tranzistora. Zbog toga, za bilo koju brzinu motora preko 10 krpm, SiC MOSFETovi postaju poželjni ili jedini ispravni izbor. Da bi se povećala snaga motora po zapremini, broj parova polova se obično povećava, šta zahteva još višu frekvenciju prekida PWM. Primena SiC-a bi potakla novu rundu poboljšanja i inovacija u dizajnu motora.