Aplikasi

Pemacu Frekuensi Pemboleh Ubah (VFD) telah digunakan secara meluas dalam kawasan perindustrian dan automotif. Teknologi utama adalah modulasi lebar pulsa frekuensi tinggi (PWM) dengan menggunakan pemutus semikonduktor. Terutamanya, inverter dua-tahap beroperasi pada frekuensi pemutusan dalam julat 4 hingga 16 kHz menghasilkan voltan asas tiga-fasa sinus atau arus untuk memacu motor. Untuk voltan bus 400V dan ke atas, IGBT mendominasi aplikasi tersebut. Dengan munculnya SiC MOSFETs lebar pita, prestasi pemutusan unggul alat ini dengan cepat menarik perhatian besar terhadap pembangunan pemacu motor. SiC MOSFET mampu mengurangkan kerugian pemutusan sebanyak 70% berbanding IGBT Si sepadan atau mencapai kecekapan yang sama pada hampir 3x frekuensi pemutusan. SiC MOSFETs, bertindak seperti rintangan, tidak mempunyai penurunan voltan sambungan PN IGBTs, yang mengurangkan kerugian pengaliran, terutamanya pada beban ringan. Dengan frekuensi PWM yang lebih tinggi dan frekuensi asas pemacu motor yang boleh dicapai, motor boleh direka dengan nombor kutub yang lebih besar untuk mengurangkan saiz motor. Motor 8-kutub boleh mengurangkan saiz sebanyak 40% daripada motor 2-kutub dengan kuasa keluaran yang sama. Frekuensi pemutusan tinggi membolehkan reka bentuk motor ketumpatan tinggi. Prestasi ini menunjukkan potensi besar SiC MOSFETs dalam aplikasi pemacu motor laju tinggi, cekap dan ketumpatan tinggi. Aplikasi berjaya SiC MOSFETs pada Tesla Model 3 menandakan permulaan era pemacu motor berasaskan SiC. Kecenderungan adalah kuat bahawa SiC MOSFETs akan mendominasi aplikasi tarikan automotif, terutamanya pada kenderaan bateri 800V dan mendapat lebih banyak pangsa dalam aplikasi perindustrian tingkat tinggi.

Untuk sepenuhnya memanfaatkan kelebihan SiC MOSFET, kelajuan tukar (dv/dt) dan frekuensi tukar perlu dinaikkan sebanyak satu peringkat atau lebih dari penyelesaian berdasarkan IGBT semasa. Walaupun SiC MOSFET mempunyai potensi besar, aplikasi peranti masih terhad oleh teknologi motor semasa dan struktur sistem pendorong. Kebanyakan motor mempunyai induktans kumpulan yang tinggi dan kapasitans parasit yang besar. Kabel tiga fasa yang menghubungkan motor kepada inverter pada dasarnya membentuk litar LC, seperti ditunjukkan di bawah. Voltan dv/dt yang tinggi pada keluaran inverter boleh merangsang litar LC dan lonjakan voltan pada terminal motor boleh bergelincir sehingga dua kali voltan keluaran inverter. Ia menambahkan tekanan voltan yang signifikan pada kumpulan motor.

Apabila inverter dilampirkan secara langsung kepada motor, fenomena ringing voltan kabel tidak lagi wujud. Walau bagaimanapun, perubahan voltan dv/dt yang tinggi akan dikenakan kepada pautan secara langsung seperti yang ditunjukkan di bawah, yang boleh mempercepatkan proses penuaan pautan. Selain itu, voltan dv/dt yang tinggi boleh menghasilkan arus bearing dan menyebabkan erosi bearing serta kegagalan awal.

Isu lain yang mungkin berlaku adalah EMI. Dv/dt dan di/dt yang tinggi boleh menghasilkan pengeluaran gangguan elektromagnetik yang lebih tinggi. Semua reka bentuk perlu mempertimbangkan kesan ini untuk penyelesaian berdasarkan IGBT dan SiC.

Untuk mengatasi isu-isu ini, pelbagai teknik telah dibangunkan. Jika sebuah motor dan pendorong inverter perlu dipisahkan, penapis sisi dv/dt atau penapis sinusoid adalah penyelesaian yang berkesan, tetapi dengan beberapa kos tambahan. Reka bentuk motor sendiri telah membaik sejak inverter IGBT menjadi tersedia secara komersial. Dengan wayar magnet yang lebih baik diberi kerosakan dan struktur penyusunan gegelung motor serta kaedah penyelenggaraan yang diperbaiki, keupayaan penanganan dv/dt motor telah meningkat secara ketara dari beberapa V/ns awalnya dan ia akan akhirnya mencapai matlamat 40-50V/ns. Inverter berasaskan SiC sangat cekap dengan kecekapan biasanya mencapai 98.5% pada 40kHz dan 99% pada 20kHz. Disebabkan oleh kerugian pendorong, penggerak motor terpadu menjadi layak dan penyelesaian sistem yang menarik, yang mengeluarkan semua kabel dan sambungan terminal dan mengurangkan saiz dan kos sistem. Pendorong inverter sepenuhnya tertutup dan motor adalah cara yang berkesan untuk mengurangkan pemancaran EMI. Arus bearing boleh dilalui dengan menyambung pendek paksi motor kepada stator dengan menggunakan pegas atau kuwas yang disambung tanah. Penggerak motor yang padat, cekap tinggi, ringan dan terpadu digunakan secara meluas dalam robot industri, drone udara dan bawah air, dll.

Selain pengurangan saiz sistem pendorong, SiC MOSFET juga membolehkan pendorongan pada kelajuan tinggi. Pendorongan pada kelajuan tinggi telah menarik minat yang semakin meningkat dalam automotif, aeroangkasa, spindel, pam dan pengepresan. Pendorongan pada kelajuan tinggi telah menjadi standard terkini bagi beberapa aplikasi yang disebutkan di atas, manakala dalam beberapa aplikasi niche, penggunaan pendorongan pada kelajuan tinggi telah meningkatkan prestasi dan keupayaan dalam sebutan kualiti produk dan inovasi produk.

Aplikasi Pendorong Tersepadu

Untuk memberikan pendorongan sinusoidal yang licin, frekuensi pemilihan VFD perlu sekurang-kurangnya 50 kali lebih tinggi daripada frekuensi arus ac. Oleh itu, frekuensi pemilihan, pasangan pola dan kelajuan motor mempunyai hubungan seperti berikut:

f_PWM = 50∙ Pole-Pair ∙ rpm /60

Khususnya, untuk motor 4-pole yang biasa, untuk mencapai 10 krpm, f_PWM perlu menjadi 16.6kHz, yang merupakan kira-kira frekuensi pengalihan IGBT maksimum. Oleh itu, untuk sebarang kelajuan motor melebihi 10 krpm, SiC MOSFET menjadi pilihan terbaik atau satu-satunya pilihan yang sah. Untuk meningkatkan ketumpatan kuasa motor, bilangan pasangan-pole biasanya ditingkatkan, yang memerlukan frekuensi pengalihan PWM yang lebih tinggi lagi. Penggunaan SiC akan mendorong peningkatan dan inovasi baru dalam reka bentuk motor.