การใช้งาน

ตัวขับความถี่แปรผัน (VFD) ได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมและด้านยานยนต์ เทคโนโลยีหลักคือการปรับโมดูเลชันความกว้างพัลส์ความถี่สูง (PWM) โดยใช้สวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ โดยทั่วไปแล้ว อินเวอร์เตอร์สองระดับที่ทำงานที่ความถี่การสลับตั้งแต่ 4 ถึง 16 kHz จะสร้างแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าสามเฟสแบบไซน์เพื่อขับมอเตอร์ สำหรับแรงดันบัสที่ 400V และสูงกว่า IGBTs เป็นที่นิยมใช้ในแอปพลิเคชัน เมื่อมีการปรากฏของ SiC MOSFETs ที่มีช่องว่างแบนด์กว้าง อุปกรณ์เหล่านี้แสดงสมรรถนะการสลับที่ยอดเยี่ยมซึ่งดึงดูดความสนใจในการพัฒนาการขับมอเตอร์อย่างมาก SiC MOSFET สามารถลดการสูญเสียจากการสลับได้ประมาณ 70% เมื่อเทียบกับ Si IGBTs หรือสามารถบรรลุประสิทธิภาพเดียวกันที่ความถี่การสลับสูงกว่าเกือบ 3 เท่า SiC MOSFETs มีพฤติกรรมเหมือนตัวต้านทาน ไม่มีการตกแรงดันที่ PN junction ของ IGBTs ซึ่งลดการสูญเสียจากการนำไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อโหลดเบา ด้วยความถี่ PWM สูงและความถี่พื้นฐานของการขับมอเตอร์ที่สูงขึ้น มอเตอร์สามารถออกแบบให้มีจำนวนขั้วมากขึ้นเพื่อลดขนาดของมอเตอร์ มอเตอร์ 8 ขั้วสามารถลดขนาดลงได้ 40% เมื่อเทียบกับมอเตอร์ 2 ขั้วที่มีกำลังผลิตเท่ากัน ความถี่การสลับสูงช่วยให้ออกแบบมอเตอร์ที่หนาแน่นได้ การแสดงผลเหล่านี้แสดงศักยภาพที่ดีของ SiC MOSFETs ในแอปพลิเคชันการขับมอเตอร์ที่มีความเร็วสูง ประสิทธิภาพสูง และความหนาแน่นสูง การใช้งาน SiC MOSFETs ใน Tesla Model 3 ถือเป็นจุดเริ่มต้นของยุคการขับมอเตอร์ที่ใช้ SiC แนวโน้มชัดเจนว่า SiC MOSFETs จะครองตลาดการขับเคลื่อนยานยนต์ โดยเฉพาะในรถยนต์ที่มีแบตเตอรี่แรงดัน 800V และจะมีส่วนแบ่งตลาดเพิ่มขึ้นในแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมระดับสูง

เพื่อใช้ประโยชน์จาก SiC MOSFETs อย่างเต็มที่ ความเร็วในการสลับ (dv/dt) และความถี่ในการสลับควรเพิ่มขึ้นหนึ่งระดับหรือมากกว่านั้นเมื่อเทียบกับโซลูชันที่ใช้ IGBT ในปัจจุบัน แม้ว่า SiC MOSFETs จะมีศักยภาพมหาศาล การประยุกต์ใช้งานของอุปกรณ์เหล่านี้ยังคงถูกจำกัดโดยเทคโนโลยีมอเตอร์และโครงสร้างระบบไดรฟ์ในปัจจุบัน มอเตอร์ส่วนใหญ่มีความเหนี่ยวนำของขดลวดสูงและความจุพาราซิติกขนาดใหญ่ เส้นสายสามเฟสที่เชื่อมต่อมอเตอร์กับอินเวอร์เตอร์จะสร้างวงจร LC โดยธรรมชาติ ตามที่แสดงไว้ด้านล่าง แรงดันไฟฟ้า dv/dt สูงที่เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์สามารถกระตุ้นวงจร LC และแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่ขั้วต่อมอเตอร์อาจพุ่งสูงเป็นสองเท่าของแรงดันเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ ซึ่งเพิ่มความเครียดทางแรงดันไฟฟ้าให้กับขดลวดของมอเตอร์อย่างมาก

เมื่อตัวแปลงกระแสตรงถูกติดตั้งกับมอเตอร์โดยตรง การสั่นของแรงดันไฟฟ้าในสายเคเบิลจะไม่มีอีกต่อไป อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า dv/dt ที่สูงจะถูกนำไปใช้กับขดลวดโดยตรงตามที่แสดงไว้ด้านล่าง ซึ่งอาจทำให้วัสดุขดลวดเสื่อมสภาพเร็วขึ้น นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้า dv/dt สูงยังสามารถสร้างกระแสในหมุดรองรับและทำให้เกิดการกร่อนของหมุดรองรับและการล้มเหลวในระยะยาว

ปัญหาที่เป็นไปได้อีกประการคือ EMI การเปลี่ยนแปลง dv/dt และ di/dt สูงสามารถสร้างการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าในระดับสูงขึ้น การออกแบบทั้งหมดจำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบเหล่านี้สำหรับโซลูชันที่ใช้ IGBT และ SiC

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ได้มีการพัฒนาเทคนิคต่าง ๆ หากมอเตอร์และไดรเวอร์อินเวอร์เตอร์จำเป็นต้องแยกออกจากกัน การใช้ dv/dt edge filter หรือ sinusoidal filter เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพ แต่จะมีต้นทุนเพิ่มขึ้น การออกแบบมอเตอร์เองก็ได้รับการปรับปรุงมาตั้งแต่มีการใช้งาน IGBT inverters ในเชิงพาณิชย์ โดยการใช้วัสดุฉนวนแม่เหล็กที่ดีกว่าและการปรับปรุงโครงสร้างของสายเคเบิลและวิธีการป้องกัน มอเตอร์สามารถจัดการกับ dv/dt ได้อย่างมากจากเดิมไม่กี่ V/ns และในอนาคตจะถึงเป้าหมายที่ 40-50V/ns อินเวอร์เตอร์ที่ใช้ SiC มีประสิทธิภาพสูง โดยมักจะมีประสิทธิภาพถึง 98.5% ที่ 40kHz และ 99% ที่ 20kHz เนื่องจากการสูญเสียของไดรเวอร์ การรวมระบบมอเตอร์ไดรฟ์กลายเป็นทางเลือกที่น่าสนใจซึ่งช่วยกำจัดสายเคเบิลและข้อต่อต่าง ๆ ลดขนาดและต้นทุนของระบบ อินเวอร์เตอร์ไดรเวอร์และมอเตอร์ที่ปิดสนิทช่วยลดการปล่อย EMI กระแสของหมุดหมุนสามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการเชื่อมโยงแกนของมอเตอร์กับสเตเตอร์ผ่านสปริงหรือแปรงที่ต่อพื้นดิน มอเตอร์ไดรฟ์ที่กะทัดรัด มีประสิทธิภาพสูง น้ำหนักเบา และรวมอยู่ในตัวเดียว ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในหุ่นยนต์อุตสาหกรรม โดรนบินบนอากาศ และโดรนใต้น้ำ เป็นต้น

นอกจากการลดขนาดของระบบขับเคลื่อนแล้ว SiC MOSFETs ยังช่วยให้สามารถขับเคลื่อนด้วยความเร็วสูงได้อีกด้วย การขับเคลื่อนด้วยความเร็วสูงได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมยานยนต์ อวกาศ เครื่องหมุน เครื่องสูบน้ำ และเครื่องอัดอากาศ การขับเคลื่อนด้วยความเร็วสูงกลายเป็นเทคโนโลยีมาตรฐานสำหรับบางแอปพลิเคชันที่กล่าวถึง ในขณะที่ในบางแอปพลิเคชันเฉพาะ การนำเอาการขับเคลื่อนด้วยความเร็วสูงมาใช้ได้เพิ่มประสิทธิภาพและความสามารถในแง่ของคุณภาพของผลิตภัณฑ์และการนวัตกรรม

แอปพลิเคชันการขับเคลื่อนแบบบูรณาการ

เพื่อให้ได้การขับเคลื่อนแบบไซนัสที่ลื่นไหล ความถี่ของการสลับตัวของ VFD จำเป็นต้องสูงกว่าความถี่ของกระแสไฟฟ้า AC อย่างน้อย 50 เท่า ดังนั้น ความถี่การสลับตัว จำนวนคู่ขั้วแม่เหล็ก และความเร็วของมอเตอร์มีความสัมพันธ์กันดังนี้:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

กล่าวคือ สำหรับมอเตอร์ 4 ขั้วทั่วไป หากต้องการให้ถึง 10 krpm f_PWM จะต้องเป็น 16.6kHz ซึ่งเป็นประมาณค่าความถี่การสลับ IGBT สูงสุด ดังนั้น สำหรับความเร็วของมอเตอร์ใดๆ ที่เกิน 10 krpm SiC MOSFETs จะกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมหรือเป็นทางเลือกเดียว การเพิ่มความหนาแน่นกำลังของมอเตอร์ มักจะเพิ่มจำนวนคู่ขั้ว ซึ่งต้องการความถี่การสลับ PWM ที่สูงกว่า การใช้งาน SiC จะผลักดันให้มีการปรับปรุงและนวัตกรรมการออกแบบมอเตอร์รอบใหม่อีกครั้ง