Anvendelser

Variabel frekvensdrift (VFD) brukes vidt og bredt i industrielle og automobilområder. Nøkkeltrekket er høyfrekvens pulsbredsmodulering (PWM) ved bruk av semiconductor skruer. Hovedsakelig to-nivå-invertere som opererer på skruingsfrekvenser mellom 4 og 16 kHz genererer tre-fase sinusformete grunnvoltage eller strøm for å drive motorene. For bussspenninger på 400V og over dominerer IGBTs applikasjonen. Med oppkomsten av breddespill SiC MOSFETs trekker enhetenes fremragende skruingsevne stor oppmerksomhet til utviklingen av motorstyring. En SiC MOSFET kan redusere skruings tap med omtrent 70% i forhold til motsvarande Si IGBTs, eller oppnå samme effektivitet ved nær 3x skruingsfrekvens. SiC MOSFETer oppfører seg som en motstand uten IGBTs PN-koblings spenningsfall, noe som reduserer leitings tap, særlig ved lette laster. Ved høyere PWM frekvenser og høyere fundamentfrekvenser for motorstyring kan en motor designes med flere poler for å redusere motorens størrelse. En 8-pol motor kan redusere størrelsen med 40% i forhold til en 2-pol motor med samme utgangseffekt. Høy skruingsfrekvens gjør det mulig å designe kompakte motoryter. Disse ytelsene viser et stort potensiale for SiC MOSFETs i høyhastighets-, høyeffektivitets- og høytdetthetsapplikasjoner for motorstyring. Den suksessfulle applikasjonen av SiC MOSFETs i Tesla Model 3 merket starten på eraen for SiC-basert motorstyring. Tendensen er sterkt at SiC MOSFETs vil dominere autotraction-applikasjoner, særlig på 800V batteri kjøretøy og få større andel av høytt ende industrielle applikasjoner.

For å fullt utnytte fordelen med SiC MOSFETer, bør skiftefart (dv/dt) og skiftefrekvens heves med en orden av størrelse eller mer i forhold til de nåværende IGBT-baserte løsningene. Trods det store potensialet til SiC MOSFETer, er bruken av disse enhetene fortsatt begrenset av den nåværende motor teknologien og drivsystemstrukturen. De fleste motorer har høy spoleinduktans og stor parasittkapasitans. En tre-fase kabel som forbinder en motor med en inverter danner i grunnen et LC-krets, som vist under. Den høye dv/dt-spenningen på inverterens utgang kan opprettholde LC-kretsen, og spenningsstupet ved motorens terminerer kan ringe så mye som dobbelt inverterens utgangsspenning. Dette legger betydelig spenningsstress på motorens spoler.

Når inverteren er direkte tilkoblet motoren, finnes spenningsringingen i kabelen ikke lenger. Likevel vil den høye dv/dt-spenningsendringen bli påført spolekjedet direkte som vist under, noe som kan akselerere aldringen av spolekjedet. Videre kan den høye dv/dt-spenningsendringen forårsake en støtdriftstrøm og føre til skader på stødder og for tidlig feil.

En annen potensiell problem er EMI. Høy dv/dt og høy di/dt kan forårsake høyere elektromagnetisk forstyrrelse. Alle design må ta hensyn til disse effektene for både IGBT- og SiC-baserte løsninger.

For å redusere disse problemene, har ulike teknikker blitt utviklet. Hvis en motor og en inverterdriver må skilles, er et dv/dt kantfilter eller et sinusoidalt filter en effektiv løsning, men med noen tilleggskostnader. Selv designet av motoren har forbedret seg siden IGBT-invertere ble kommersielt tilgjengelige. Med bedre isolerte magnetiske tråder og forbedret struktur og skjermingsmetoder for motorstrikninger, har motorenes evne til å håndtere dv/dt forbedret substansialt fra noen få V/ns initielt, og det vil til slutt nå målet på 40-50V/ns. SiC-baserte invertere er veldig effektive med en effektivitet som vanligvis når 98,5% ved 40kHz og 99% ved 20kHz. Grunnet drivertap, blir den integrerte motordrivere mulig og en attraktiv systemløsning, som eliminerer alle kabler og terminalforbindelser og reduserer systemstørrelse og kostnad. Fullt lukket inverterdriver og motor er en effektiv måte å redusere EMI-utslipp. Skjeivstrøm i lag kan overføres ved å korte motorens akse til stator med en jordet springlegg eller børste. Kompakte, høyeffektive, lettværende og integrerte motordrivere brukes vidt og bredt i industrielle roboter, luftfarte og under vann droner, osv.

I tillegg til reduksjon av drivsystemets størrelse, lar SiC MOSFET-er høyhastighetsdrift også. Høyhastighetsdrift har vakt økende interesse innen bilindustrien, luftfart, spindler, pump og kompressorer. Høyhastighetsdrift har blitt standard for noen av de nevnte anvendelsene, mens i noen nischearanseller har innføringen av høyhastighetsdrift forbedret ytelsen og evnen til å oppnå høyere produktkvalitet og innovasjon.

Integerte Driv-Anvendelser

For å oppnå en jevn sinusoidal drift, må VFD-skiftefrekvensen være minst 50 ganger høyere enn AC-strømfrekvensen. Derfor har skiftefrekvens, polpar og motoryr følgende relasjon:

f_PWM = 50∙ Pol-Pair ∙ rpm /60

Nøyaktig sagt, for en vanlig 4-pole motor, for å nå 10 krpm, må f_PWM være 16,6kHz, som er omtrent den maksimale IGBT-skjermingsfrekvensen. Derfor blir SiC MOSFETer et foretrukket eller eneste gyldige valg for hvilken som helst motorhastighet over 10 krpm. For å øke motorens effekttetthet økes antall polepar vanligvis, noe som krever enda høyere PWM-skjermingsfrekvens. Bruken av SiC ville drive en ny runde med forbedringer og innovasjon i motordesign.