Заявки

Перемінний частотний привод (VFD) широко використовується в промисловості та автомобільній галузі. Ключова технологія - це високочастотна модуляція шириною імпульсу (PWM) за допомогою напівпровідникових переключників. Основною є двохрівневі інвертори, які працюють на частотах переключення в діапазоні від 4 до 16 кГц, що генерують трифазні синусоїдальні основні напруги або струми для приводження моторів. Для автобусних напруг 400 В та вище IGBT домінують у застосуванні. З появи широкозонних SiC MOSFET'ів, їхні відмінні переключальні характеристики швидко привернули велику увагу до розвитку приводів моторів. SiC MOSFET може зменшити переключальні втрати приблизно на 70% у порівнянні з аналогічними Si IGBT або досягти такої самої ефективності при майже трьохкратній частоті переключення. SiC MOSFET, поводячи себе як резистор, не мають втрат напруги PN-з'єднання IGBT, що зменшує провідні втрати, особливо при легких навантаженнях. За допомогою вищих частот PWM і вищих основних частот приводу мотора можна спроектувати мотор з більшою кількістю полюсів для зменшення розміру мотора. Мотор з 8 полюсами може зменшити розмір на 40% у порівнянні з мотором з 2 полюсами при тій самій виходній потужності. Висока частота переключення дозволяє проектувати мотори високої щільності. Ці показники демонструють великий потенціал SiC MOSFET'ів у застосуванні до високоскоростних, високоefективних та високощільних приводів моторів. Успішне застосування SiC MOSFET'ів у Tesla Model 3 позначило початок ери приводів моторів на базі SiC. Тенденція сильна, що SiC MOSFET'и домінують у застосуванні до автотяги, особливо на авто з батареєю 800 В, і набирають більшої популярності у промислових високоприоритетних застосуваннях.

Щоб повністю використати переваги SiC MOSFET'ів, швидкість комутації (dv/dt) та частота комутації мають бути підвищені на порядок або більше у порівнянні з поточними рішеннями на базі IGBT. Незважаючи на великий потенціал SiC MOSFET'ів, їх застосування все ще обмежується поточною моторною технологією та структурою системи приводу. Більшість двигунів мають високий індуктивний опір обмотки та великі паразитні ємності. Трифазний кабель, який з'єднує двигун з інвертором, фактично утворює LC-коло, як показано нижче. Висока швидкість dv/dt напруги на виході інвертора може спровокувати LC-коло, і напруга на терміналах двигуна може досягати подвійного значення напруги на виході інвертора. Це додає значний напружений режим для обмоток двигуна.

Коли інвертор безпосередньо підключено до двигуна, ефект коливань напруги у кабелі більше не виникає. Проте, високу зміну напруги dv/dt буде застосовано безпосередньо до обмоток, як показано нижче, що може прискорити старіння обмотки. Крім того, висока напруга dv/dt може викликати ток у підшипниках, що призведе до їх зношення та ранньої викиненості.

Ще одним потенційним питанням є ЕМЗ (електромагнітні збурення). Високі значення dv/dt та di/dt можуть викликати більш високий рівень електромагнітних збуджень. Усі дизайни повинні враховувати ці ефекти як для розв'язків на основі IGBT, так і для розв'язків на основі SiC.

Щоб зменшити ці проблеми, було розроблено різні техніки. Якщо двигун і інверторний привод необхідно розділити, фільтр краю dv/dt або синусоїдальний фільтр є ефективним рішенням, але з деякими додатковими витратами. Саме конструкція двигуна постійно покращується з моменту, коли IGBT-інвертори стали комерційно доступними. Благодаря кращому електричному ізоляційному проводові та покращеній структурі намотки обмоток двигуна та методам захищення, здатність двигуна обробляти dv/dt значно підвищилася від декількох V/ns на початку до майбутньої мети 40-50V/ns. Інвертори на основі SiC дуже ефективні, зазвичай досягаючи ефективності 98,5% при 40kHz та 99% при 20kHz. З урахуванням втрат приводу, інтегрований привід двигуна стає реальним та привабливим системним рішенням, яке вилучає всі кабелі та термінальні з'єднання, зменшуючи розмір та вартість системи. Повністю закритий інверторний привід та двигун є ефективним способом зменшення випромінювання ЕМС. Точкова сила може бути обходжена шляхом коротчення вісі двигуна до статора за допомогою заземленого пружини або щетки. Компактні, високоекономні, низьковагові та інтегровані приводи двигунів широко використовуються в промислових роботах, авіаційних та підводних дронів тощо.

Окрім зменшення розміру системи приводу, транзистори SiC MOSFET також дозволяють виконувати високоскоростне керування. Високоскоростні приводи набувають все більшої популярності в автотранспорті, авіаційній промисловості, шпинделів, насосів та компресорів. Високоскоростні приводи стали стандартом для деяких із зазначених застосувань, тоді як у деяких нішевих застосуваннях їх впровадження покращило продуктивність та можливості з точки зору якості продукту та його інноваційності.

Інтегровані застосування приводів

Щоб забезпечити гладке синусоїдальне керування, частота переключення ЧЗП повинна бути мінімум у 50 разів вища за частоту струму AC. Отже, між частотою переключення, парою полюсів та швидкістю двигуна існує наступна залежність:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

А саме, для звичайного 4-полюсного мотора, щоб досягти 10 коб.хв., f_PWM має бути 16,6 kHz, що приблизно дорівнює максимальній частоті комутації IGBT. Отже, для будь-якої швидкості мотора більше 10 коб.хв., транзистори на основі SiC MOSFET стають перевагою або єдиним дійсним варіантом. Щоб збільшити потужність мотора на одиницю об'єму, зазвичай збільшується кількість пар полів, що вимагає ще вищої частоти комутації PWM. Застосування технології SiC спонукатиме новий етап покращення та інновацій у проектуванні моторів.