Ứng dụng Việt Nam

Biến tần (VFD) đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp và ô tô. Công nghệ chủ chốt là điều chế độ rộng xung tần số cao (PWM) bằng cách sử dụng các thiết bị chuyển mạch bán dẫn. Chủ yếu các bộ biến tần hai cấp hoạt động ở tần số chuyển mạch trong phạm vi từ 4 đến 16 kHz tạo ra điện áp hoặc dòng điện cơ bản hình sin ba pha để điều khiển động cơ. Đối với điện áp bus 400V trở lên, IGBT chiếm ưu thế trong ứng dụng. Với sự xuất hiện của MOSFET SiC băng thông rộng, hiệu suất chuyển mạch vượt trội của thiết bị nhanh chóng thu hút sự chú ý lớn trong việc phát triển ổ đĩa động cơ. MOSFET SiC có thể giảm tổn thất chuyển mạch khoảng 70% so với IGBT Si tương ứng của nó hoặc đạt được hiệu suất tương tự ở tần số chuyển mạch gần gấp 3 lần. MOSFET SiC, hoạt động giống như một điện trở, không có hiện tượng sụt giảm điện áp tiếp giáp PN của IGBT, giúp giảm tổn hao dẫn điện, đặc biệt là khi tải nhẹ. Với tần số xung cao hơn và tần số cơ bản của bộ truyền động động cơ cao hơn có thể đạt được, động cơ có thể được thiết kế với số cực lớn hơn để giảm kích thước động cơ. Động cơ 8 cực có thể giảm kích thước bằng 40% so với động cơ 2 cực có cùng công suất ra. Tần số chuyển mạch cao cho phép thiết kế động cơ mật độ cao. Những màn trình diễn này cho thấy tiềm năng to lớn của SiC MOSFET trong các ứng dụng điều khiển động cơ tốc độ cao, hiệu suất cao và mật độ cao. Việc ứng dụng thành công MOSFET SiC trên Tesla Model 3 đã đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên truyền động động cơ dựa trên SiC. Xu hướng mạnh mẽ là SiC MOSFET sẽ thống trị các ứng dụng lực kéo ô tô, đặc biệt là trên các phương tiện chạy ắc quy 800V và giành được nhiều thị phần hơn trong các ứng dụng công nghiệp cao cấp.

Để khai thác triệt để lợi ích của MOSFET SiC, tốc độ chuyển mạch (dv/dt) và tần số chuyển mạch phải được tăng lên một bậc độ lớn trở lên so với các giải pháp dựa trên IGBT hiện tại. Bất chấp tiềm năng to lớn của SiC MOSFET, ứng dụng của thiết bị vẫn còn hạn chế bởi công nghệ động cơ và cấu trúc hệ thống truyền động hiện tại. Hầu hết các động cơ đều có độ tự cảm cuộn dây cao và điện dung ký sinh lớn. Cáp ba pha kết nối động cơ với biến tần về cơ bản tạo thành mạch LC, như hình dưới đây. Điện áp dv/dt cao ở đầu ra biến tần có thể kích thích mạch LC và xung điện áp ở các đầu cực động cơ có thể reo lên gấp đôi điện áp đầu ra biến tần. Nó làm tăng thêm ứng suất điện áp đáng kể lên cuộn dây động cơ.

Khi biến tần được gắn trực tiếp vào động cơ, hiện tượng chuông điện áp trên cáp không còn tồn tại nữa. Tuy nhiên, sự thay đổi điện áp dv/dt cao sẽ được áp dụng trực tiếp vào cuộn dây như mô tả bên dưới, điều này có thể đẩy nhanh quá trình lão hóa cuộn dây. Hơn nữa, điện áp dv/dt cao có thể tạo ra dòng điện ổ trục và gây ra hiện tượng ăn mòn ổ trục và hỏng hóc sớm.

Một vấn đề tiềm ẩn khác là EMI. dv/dt cao và di/dt cao có thể tạo ra sự phát xạ nhiễu điện từ cao hơn. Tất cả các thiết kế cần tính đến những hiệu ứng này cho cả giải pháp dựa trên IGBT và SiC.

Để giảm thiểu những vấn đề này, các kỹ thuật khác nhau đã được phát triển. Nếu phải tách rời động cơ và trình điều khiển biến tần, bộ lọc cạnh dv/dt hoặc bộ lọc hình sin là một giải pháp hiệu quả nhưng lại tốn thêm một số chi phí. Bản thân thiết kế động cơ đã được cải thiện kể từ khi bộ biến tần IGBT được bán trên thị trường. Với dây từ cách điện tốt hơn và cấu trúc cuộn dây động cơ được cải tiến cũng như các phương pháp che chắn, khả năng xử lý dv/dt của động cơ đã được cải thiện đáng kể từ vài V/ns ban đầu và cuối cùng nó sẽ đạt được mục tiêu 40-50V/ns. Bộ biến tần dựa trên SiC rất hiệu quả với hiệu suất thường đạt 98.5% ở 40kHz và 99% ở 20kHz. Do mất trình điều khiển, bộ điều khiển động cơ tích hợp trở nên khả thi và là một giải pháp hệ thống hấp dẫn, giúp loại bỏ tất cả các dây cáp và kết nối đầu cuối, đồng thời giảm kích thước và chi phí hệ thống. Trình điều khiển và động cơ biến tần được bao bọc hoàn toàn là một cách hiệu quả để giảm phát thải EMI. Dòng điện mang có thể được bỏ qua bằng cách nối ngắn trục của động cơ tới stato bằng lò xo hoặc chổi nối đất. Bộ truyền động động cơ tích hợp, trọng lượng nhẹ và hiệu suất cao nhỏ gọn được sử dụng rộng rãi trong robot công nghiệp, máy bay không người lái trên không và dưới nước, v.v.

Bên cạnh việc giảm kích thước hệ thống ổ đĩa, SiC MOSFET còn cho phép truyền động tốc độ cao. Truyền động tốc độ cao ngày càng được quan tâm nhiều trong lĩnh vực ô tô, hàng không vũ trụ, trục chính, máy bơm và máy nén. Ổ đĩa tốc độ cao đã trở thành công nghệ tiên tiến đối với một số ứng dụng nói trên trong khi ở một số ứng dụng thích hợp, việc áp dụng ổ đĩa tốc độ cao đã nâng cao hiệu suất và khả năng về chất lượng sản phẩm cũng như đổi mới sản phẩm.

Ứng dụng ổ đĩa tích hợp

Để cung cấp khả năng truyền động hình sin trơn tru, tần số chuyển mạch VFD cần phải cao hơn tần số dòng điện xoay chiều ít nhất 50 lần. Do đó, tần số chuyển mạch, cặp cực và tốc độ động cơ có mối quan hệ như sau:

f_PWM = 50∙ Cặp cực ∙ vòng/phút /60

Cụ thể, để một động cơ 4 cực thông thường, để đạt tốc độ 10 krpm, f_PWM cần phải là 16.6kHz, tức là khoảng tần số chuyển đổi IGBT tối đa. Do đó, đối với bất kỳ tốc độ động cơ nào trên 10 krpm, SiC MOSFET trở thành một lựa chọn ưu tiên hoặc duy nhất hợp lệ. Để tăng mật độ công suất động cơ, số cặp cực thường tăng lên, điều này đòi hỏi tần số chuyển mạch tín hiệu xung điện cao hơn. Việc áp dụng SiC sẽ thúc đẩy quá trình cải tiến và đổi mới thiết kế động cơ trong vòng mới.