Uygulamalar

Değişken Frekans Sürücüsü (VFD), endüstriyel ve otomotiv alanlarda yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ana teknoloji, yarıiletken anahtarlar kullanılarak yapılan yüksek frekanslı pul uzunluğu modülasyonu (PWM)'dur. Temel olarak iki seviye ters çevirici, 4 ila 16 kHz aralığında çalışır anahtarlama frekanslarında üç fazli sinüsoidal temel gerilimler veya akımlar oluşturur ve bu da motorları sürmeyi sağlar. 400V ve üzerindeki şip bus gerilimi için IGBT'ler uygulamayı hakim kılmaktadır. Geniş bant açıklıklı SiC MOSFET'lerin ortaya çıkmasıyla beraber, cihazların üstün anahtarlama performansı motor sürücü geliştirmesinde büyük ilgi uyandırmıştır. Bir SiC MOSFET, karşılaştırılabilir Si IGBT'lerinin yaklaşık %70 oranında anahtarlama kaybını azaltabilir veya aynı verimliliği yaklaşık 3 katı anahtarlama frekansında elde edebilir. SiC MOSFET'ler, direnç gibi davranan cihazlardır ve IGBT'lerin PN birleşimi gerilim düşüşünden yoksundur, bu da özellikle hafif yükleme koşullarında传导 kaybını azaltır. Daha yüksek PWM frekanslarıyla ve daha yüksek motor sürücü temel frekanslarıyla erişilebilir, bir motor daha fazla kutup sayısı ile tasarlanabilir ve bu da motora boyutunu küçültür. Aynı çıktı gücüyle 2 kutuplu bir motora göre 8 kutuplu bir motor boyutunu %40 oranında azaltabilir. Yüksek anahtarlama frekansı, yoğun motor tasarımı mümkün kılar. Bu performanslar, hızlı-çalışan, yüksek verimlilikli ve yüksek yoğunlukta motor sürücü uygulamalarında SiC MOSFET'lerin büyük bir potansiğini göstermektedir. Tesla Model 3'te SiC MOSFET'lerin başarılı uygulanması, SiC tabanlı motor sürücü çağının başlangıcını işaretlemiştir. Eğilim güçlüdür ki, özellikle 800V batarya taşıyan araçlar ve endüstriyel yüksek seviye uygulamaların daha fazla payını kazanacak olan SiC MOSFET'leri otomotiv traksiyon uygulamalarında hakim olacaklardır.

SiC MOSFETlerinin faydalarını tam olarak kullanmak için, anahtarlamا hızı (dv/dt) ve anahtarlama frekansı mevcut IGBT tabanlı çözümlerden bir mertebe daha fazla artırılmalıdır. SiC MOSFETlerinin büyük potansiyele rağmen, cihazların uygulamaları hala mevcut motor teknolojisi ve sürüş sistem yapısı tarafından sınırlıdır. Çoğu motorda yüksek sarım indüktansı ve büyük parazit kapasitiflik bulunmaktadır. Bir motora bağlı tersine çeviri cihazına bağlanan üç faz kablo esasında bir LC devresi oluşturur, aşağıdaki gibi gösterilmiştir. Tersine çeviri çıkışındaki yüksek dv/dt gerilimi LC devresini uyandırabilir ve motor uçlarındaki gerilim artışı tersine çeviri çıkış geriliminin iki katı kadar zilzelleme yapabilir. Bu, motor sarımlarında önemli bir voltaj stresi eklemektedir.

Ters çevrimci motoruna doğrudan bağlı ise, kablo gerilimi yankısı artık mevcut değildir. Ancak, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, yüksek dv/dt gerilme değişikliği bobinlere doğrudan uygulanır ki, bu da bobin yaşamasını hızlandırabilir. Ayrıca, yüksek dv/dt gerilmesi bir yuva akımı oluşturabilir ve yuva aşınmasını ve erken başarısızlığı tetikleyebilir.

Başka bir potansiyel sorun ise EMI'dir. Yüksek dv/dt ve yüksek di/dt daha fazla elektromanyetik karışıklık emisyonu oluşturabilir. Tüm tasarımlar hem IGBT hem de SiC tabanlı çözümler için bu etkileri dikkate almalıdır.

Bu sorunları azaltmak için farklı teknikler geliştirilmiştir. Eğer bir motor ve tersine çeviri sürücüsü ayrılmalıdır, dv/dt kenar filtresi veya sinüzoidal filtre etkili bir çözüm olabilir, ancak bazı maliyet eklenir. Motor tasarımı, IGBT tersine çeviriciler ticari olarak mevcut olduktan sonra sürekli iyileşmektedir. Daha iyi yalıtılmış manyetik tel ve motor bobinini sarma yapısı ile şildleme yöntemleri sayesinde, motorların dv/dt işleme kapasitesi başlangıçta birkaç V/ns'den önemli ölçüde artmıştır ve sonunda 40-50V/ns hedefine ulaşacak. SiC tabanlı tersine çeviriciler genellikle 40kHz'de %98.5 ve 20kHz'de %99 verimlilikle çok verimlidir. Sürücü kaybı nedeniyle, tüm kablo ve uç bağlantılarını ortadan kaldırarak sistem boyutunu ve maliyetini azaltan entegre motor sürümü uygun bir sistem çözümü haline gelmiştir. Tamamen kapalı tersine çeviri sürücüsü ve motor, EMI emisyonunu azaltmak için etkili bir yoldur. Yerleşik bir yay veya fırça ile motorun şaftını statörün zemine bağlı olan kısmına kısa devre yaparak aks yerel akımı geçebilir. Kompakt, yüksek verimlilikte, düşük ağırlıkta ve entegre motor sürümleri endüstriyel robotlar, havada ve su altı drones'larında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Sürücü sistemi boyutlarının küçültülmesinin yanı sıra, SiC MOSFET'ler yüksek hızlı sürüşe de imkan tanır. Yüksek hızlı sürücüler otomotiv, havacılık, spindel, pompa ve kompresör uygulamalarında artan ilgi görmüştür. Yüksek hızlı sürücüler, yukarıda belirtilen bazı uygulamalarda sanatın en üst düzeyine ulaşmıştır; bazı niş uygulamalarında ise, yüksek hızlı sürücülerin kabul edilmesi ürün kalitesi ve ürün yenilikleri açısından performansı ve kapasiteleri artırmıştır.

Entegre Sürücü Uygulamaları

Düzgün bir sinüsoidal sürüş sağlamak için, VFD anahtarlama frekansı AC akım frekansının en az 50 katı kadar yüksek olmalıdır. Bu nedenle, Anahtarlama frekansı, kutup çifti ve motor hızı şu ilişkiyi göstermektedir:

f_PWM = 50∙ Kutup-Çifti ∙ rpm /60

Yani, ortak bir 4-pole motorda, 10 krpm'ye ulaşmak için f_PWM'nin 16.6kHz olması gerekiyor, bu da yaklaşık maksimum IGBT anahtarlaması frekansıdır. Bu nedenle, 10 krpm'den daha yüksek herhangi bir motor hızı için, SiC MOSFET'ler tercih edilen veya tek geçerli seçenek olmaktadır. Motor güç yoğunluğunu artırmak için kutup çifti sayısı genellikle artırılır, bu da daha yüksek bir PWM anahtarlama frekansı gerektirir. SiC uygulaması, motor tasarımı iyileştirmesinin ve yeniliklerinin yeni bir döngüsünü tetikleyecektir.