Ứng dụng

Bộ biến tần tần số thay đổi (VFD) đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và ô tô. Công nghệ chính là điều chế độ rộng xung tần số cao (PWM) bằng cách sử dụng các công tắc bán dẫn. Chủ yếu là bộ nghịch lưu hai cấp hoạt động ở tần số chuyển mạch trong khoảng từ 4 đến 16 kHz tạo ra điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ba pha để vận hành động cơ. Đối với điện áp bus 400V trở lên, IGBT chiếm ưu thế trong ứng dụng. Với sự xuất hiện của SiC MOSFET có dải rộng, hiệu suất chuyển mạch vượt trội của thiết bị này nhanh chóng thu hút sự chú ý trong việc phát triển hệ thống điều khiển động cơ. Một SiC MOSFET có thể giảm tổn thất chuyển mạch khoảng 70% so với IGBT silicon tương đương hoặc đạt cùng mức hiệu quả ở gần gấp 3 tần số chuyển mạch. SiC MOSFETs hoạt động giống như một điện trở, không có sự sụt áp PN junction của IGBTs, điều này làm giảm tổn thất dẫn, đặc biệt là ở tải nhẹ. Với tần số PWM cao hơn và tần số cơ bản cao hơn của hệ thống điều khiển động cơ có thể đạt được, một 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 40% so với động cơ 2 cực có cùng công suất đầu ra. Tần số chuyển mạch cao cho phép thiết kế động cơ mật độ cao. Những hiệu suất này cho thấy tiềm năng lớn của SiC MOSFETs trong các ứng dụng điều khiển động cơ tốc độ cao, hiệu suất cao và mật độ cao. Việc ứng dụng thành công SiC MOSFETs trên Tesla Model 3 đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên điều khiển động cơ dựa trên SiC. Xu hướng rõ ràng là SiC MOSFETs sẽ chiếm ưu thế trong các ứng dụng kéo xe hơi, đặc biệt là trên các phương tiện pin 800V và giành thị phần lớn hơn trong các ứng dụng công nghiệp cao cấp.

Để khai thác tối đa lợi ích của SiC MOSFET, tốc độ chuyển mạch (dv/dt) và tần số chuyển mạch cần được tăng lên gấp mười lần hoặc hơn so với các giải pháp dựa trên IGBT hiện nay. Dù có tiềm năng lớn, việc ứng dụng của SiC MOSFET vẫn bị hạn chế bởi công nghệ động cơ hiện tại và cấu trúc hệ thống truyền động. Hầu hết các động cơ đều có cảm kháng cuộn dây cao và điện dung ký sinh lớn. Một cáp ba pha nối động cơ với biến tần về cơ bản tạo thành một mạch LC, như được hiển thị bên dưới. Điện áp dv/dt cao ở đầu ra của biến tần có thể kích thích mạch LC và sự tăng đột ngột của điện áp tại đầu cuối động cơ có thể đạt tới hai lần điện áp đầu ra của biến tần. Điều này gây thêm áp lực điện áp đáng kể lên cuộn dây của động cơ.

Khi bộ biến tần được gắn trực tiếp vào động cơ, hiện tượng dao động điện áp cáp sẽ không còn nữa. Tuy nhiên, sự thay đổi điện áp dv/dt cao sẽ được áp dụng trực tiếp lên cuộn dây như được mô tả bên dưới, điều này có thể làm tăng tốc độ lão hóa của cuộn dây. Hơn nữa, điện áp dv/dt cao có thể tạo ra dòng điện qua bạc đạn và gây mòn bạc đạn cũng như hỏng sớm.

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

Để giảm bớt những vấn đề này, các kỹ thuật khác nhau đã được phát triển. Nếu một động cơ và bộ điều khiển biến tần cần phải được tách biệt, một bộ lọc dv/dt hoặc bộ lọc sinusoïdal là giải pháp hiệu quả, nhưng với một số chi phí bổ sung. Thiết kế động cơ bản thân đã được cải thiện kể từ khi các biến tần IGBT trở nên có sẵn thương mại. Với dây điện từ cách điện tốt hơn và cấu trúc cuộn dây động cơ được cải tiến cùng với các phương pháp bảo vệ, khả năng xử lý dv/dt của động cơ đã được cải thiện đáng kể từ vài V/ns ban đầu và cuối cùng sẽ đạt mục tiêu là 40-50V/ns. Các biến tần dựa trên SiC rất hiệu quả với hiệu suất thường đạt 98,5% ở 40kHz và 99% ở 20kHz. Do tổn thất của bộ điều khiển, việc tích hợp động cơ điều khiển trở nên khả thi và là một giải pháp hệ thống hấp dẫn, loại bỏ tất cả cáp và kết nối đầu cuối, giảm kích thước và chi phí của hệ thống. Bộ điều khiển biến tần hoàn toàn kín là một cách hiệu quả để giảm phát xạ EMI. Dòng điện qua bạc có thể được tránh bằng cách nối ngắn trục động cơ với phần stato thông qua lò xo hoặc chổi tiếp đất. Các động cơ điều khiển nhỏ gọn, hiệu quả cao, trọng lượng nhẹ và tích hợp được sử dụng rộng rãi trong robot công nghiệp, máy bay không người lái dưới nước và trên không, v.v.

Bên cạnh việc giảm kích thước hệ thống truyền động, SiC MOSFET còn cho phép truyền động tốc độ cao. Truyền động tốc độ cao đã thu hút sự quan tâm ngày càng tăng trong các lĩnh vực ô tô, hàng không vũ trụ, trục vít, bơm và máy nén. Truyền động tốc độ cao đã trở thành công nghệ tiên tiến cho một số ứng dụng được đề cập ở trên, trong khi ở một số ứng dụng ngách, việc áp dụng truyền động tốc độ cao đã nâng cao hiệu suất và khả năng về chất lượng sản phẩm và đổi mới sản phẩm.

Ứng dụng Truyền Động Tích Hợp

Để cung cấp một tín hiệu truyền động sinusoide mượt mà, tần số chuyển mạch của VFD cần phải cao hơn ít nhất 50 lần so với tần số dòng điện xoay chiều. Do đó, tần số chuyển mạch, cặp cực và tốc độ mô-tơ có mối quan hệ sau đây:

f_PWM = 50∙ Cặp-Cực ∙ vòng/phút⁄60

Cụ thể, đối với động cơ 4 cực thông thường, để đạt được tốc độ 10 krpm, tần số f_PWM cần phải là 16.6kHz, đây là khoảng giá trị tối đa của tần số chuyển mạch IGBT. Do đó, đối với bất kỳ tốc độ động cơ nào vượt quá 10 krpm, SiC MOSFET trở thành lựa chọn ưu tiên hoặc là phương án duy nhất khả thi. Để tăng mật độ công suất của động cơ, số cặp cực thường được tăng lên, điều này yêu cầu tần số chuyển mạch PWM thậm chí cao hơn. Việc áp dụng SiC sẽ thúc đẩy một vòng cải tiến và sáng tạo mới trong thiết kế động cơ.