Användning

Variabelfrekvensdriv (VFD) används alltmer inom industrin och bilbranschen. Nyckeltekniken är högfrekvent pulse width modulation (PWM) genom att använda halvledarspärare. Huvudsakligen tvånivåinvertererar vid switchningsfrekvenser mellan 4 och 16 kHz, som genererar trefasiga sinusformade grundlägesspännningar eller strömmar för att driva motorer. För bussspännningar på 400V och högre dominerar IGBTs tillämpningen. Med införandet av breddband SiC MOSFETs lockar enheternas överlägsna switchningsprestanda starkt uppmärksamhet i utvecklingen av motordrivning. En SiC MOSFET kan minska switchningsförlusterna med cirka 70% jämfört med motsvarande Si IGBTs eller uppnå samma effektivitet vid nästan trippel switchningsfrekvens. SiC MOSFETer beter sig som en resistor och saknar IGBTs PN-förgreningsspänning, vilket minskar ledningsförluster, särskilt vid lätta laster. Med högre PWM-frekvenser och möjlighet till högre fundamentalfrekvenser för motordrivning kan en motor designas med fler poler för att minska motorns storlek. En åttapolig motor kan minska sin storlek med 40% jämfört med en tvåpolig motor med samma utgångseffekt. Höga switchningsfrekvenser möjliggör en högdensitetsdesign av motorer. Dessa prestationer visar ett stort potential för SiC MOSFETs inom höghastighets-, högeffektiva och högdensitetsmotordrivningsapplikationer. Den framgångsrika tillämpningen av SiC MOSFETs i Teslas Model 3 markerade början på SiC-baserad motordrivningsera. Tendensen är stark att SiC MOSFETs kommer att dominera bilbranschens traktionstillämpningar, särskilt på fordon med 800V batterier och få mer marknadandel inom industriella högslutna tillämpningar.

För att fullt utnyttja fördelarna med SiC MOSFETer bör växlingshastighet (dv/dt) och växlingsfrekvens höjas med en ordning eller mer från de nuvarande IGBT-baserade lösningarna. Trots den stora potentialen hos SiC MOSFETer är tillämpningen av dessa fortfarande begränsad av den aktuella motor tekniken och drivsystemets struktur. De flesta motorer har hög spoleinduktion och stor parasitkapacitet. En trefasad kabellängd som ansluter en motor till en inverterare bildar i princip en LC-krets, som visas nedan. Den höga dv/dt-spanningen vid inverterarens utgång kan uppväcka LC-kretsen och spänningsstöten vid motorterminalerna kan svänga upp till två gånger inverterarens utgångsspanning. Det lägger betydande spänningsstress på motorspolerna.

När omvandlaren ansluts direkt till motorn finns det ingen kabelspänningssvingning längre. Dock kommer den höga dv/dt-spenningsförändringen att tillämpas direkt på spoleuppsättningen, som illustreras nedan, vilket kan accelerera åldrandet av spolen. Dessutom kan den höga dv/dt-spenningen inducera en taggström i lager och orsaka lagererosion och för tidig förtäring.

En annan potentiell risk är EMI. Hög dv/dt och hög di/dt kan inducera högre elektromagnetisk störningsutsläpp. Alla designer måste ta hänsyn till dessa effekter för både IGBT- och SiC-baserade lösningar.

För att minska dessa problem har olika tekniker utvecklats. Om en motor och en inverterare måste skiljas åt är en dv/dt-kantfilter eller sinusfilter en effektiv lösning, men med någon tilläggs kostnad. Motorens design har förbättrats sedan IGBT-inverterare blev kommersiellt tillgängliga. Med bättre isolerade magnetiska trådar och förbättrad spolstruktur och sköldningsmetoder har motorernas förmåga att hantera dv/dt förbättrats substans iell från några V/ns initialt och kommer slutligen att uppnå målet på 40-50V/ns. SiC-baserade inverterare är mycket effektiva med vanligtvis 98,5% effektivitet vid 40kHz och 99% vid 20kHz. På grund av drivförlusten blir integrerad motordrivning möjlig och en attraktiv systemlösning, vilket elimineras alla kablar och terminalanslutningar och minskar systemets storlek och kostnad. Fullständigt inkapslad inverterare och motor är en effektiv metod för att minska EMI-utsläpp. Bärström kan omgås genom att kortsluta motorns axel till statorn med en jordad fjäder eller borste. Kompakta, högeffektiva, låg-viktiga och integrerade motordrivningar används allmänt i industrirobotar, luftburen och under vatten dronar etc.

Utöver minskning av drivsystemets storlek möjliggör SiC MOSFETs också höghastighetsdrivning. Höghastighetsdrivningar har väckt ett ökande intresse inom automobil-, flyg-, spindlar, pumpar och kompressorer. Höghastighetsdrivningar har blivit staten av konsten för vissa av de nämnda tillämpningarna, medan i vissa nischtillämpningar har införandet av höghastighetsdrivningar förbättrat prestationerna och möjligheterna när det gäller produktkvalitet och produktinnovation.

Integrerade Drivtillämpningar

För att erbjuda en jämn sinusformad drift måste VFD-sväxningsfrekvensen vara minst 50 gånger högre än ac-strömsfrekvensen. Därför har sväxningsfrekvens, polpar och motorhastighet följande relation:

f_PWM = 50∙ Pol-Pair ∙ varv/min\/60

Faktiskt, för en vanlig 4-polsmotor måste f_PWM vara 16,6kHz för att nå 10 krpm, vilket är ungefär den maximala IGBT-skapningsfrekvensen. Därför blir SiC MOSFETer ett föredragnat eller det enda giltiga valet för alla motorhastigheter över 10 krpm. För att öka motorns effektdensitet ökas antalet polpar vanligtvis, vilket kräver ännu högre PWM-skapningsfrekvens. Användningen av SiC skulle driva en ny rundas motorutvecklingsförbättringar och innovationer.