بالنسبة لتطبيقات مثل محركات الأقراص المؤازرة، يعد الحجم والوزن أمرًا مهمًا للغاية، إلا أن قدرة التبريد محدودة. ولهذا السبب، تعد وحدات CoolSiC™ MOSFETs المنفصلة الحل الأمثل لتلبية هذه المتطلبات وتحسين الأداء. تسمح الخسائر المنخفضة بتنفيذ تصميم بدون مروحة بدون صيانة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن دمج المحرك والمحرك، وبالتالي تقليل حجم خزانة التحكم، وتبسيط الكابلات.
CoolSiC ™ MOSFET في محركات المؤازرة
أحد التطبيقات التي تأثرت بـ CoolSiC ™ MOSFET الأداء عبارة عن أنظمة تشغيل مؤازرة ، والتي تتميز عادةً بمحولات مدمجة وفعالة مثل تلك المستخدمة في الروبوتات الصناعية والأتمتة. يمكن الحصول على تخفيضات خسارة التوصيل والتبديل في جميع أوضاع التشغيل بما في ذلك التسارع والسرعة الثابتة ووضع الانكسار.
استخدام CoolSiC ™ الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة في محركات المؤازرة تقدم الفوائد التالية:
- التسارع العالي وعزم الكبح ، وهما معلمات محرك سيرفو أساسي
- موثوقية عالية وصيانة منخفضة بسبب حل محرك بدون مروحة
تعمل وحدات CoolSiC ™ MOSFET في محركات المؤازرة أيضًا على تمكين تكامل المحرك والمحرك ، مما يعني:
- يوجد كابل واحد فقط من خزانة التحكم ، مما يقلل التكاليف عن طريق تبسيط الاتصال ، ويزيد من موثوقية النظام بسبب عدد أقل من الكابلات / كابلات أقل تعقيدًا
- لا توجد خزانة عاكس تحكم مطلوبة (أو خزانة أصغر فقط)
تعمل تطبيقات القيادة المؤازرة نموذجيًا ≥90٪ في فترة سرعة ثابتة مع عزم دوران منخفض ، أي تيار منخفض. في وضع التسارع والكسر ، يعمل محرك الأقراص عادةً في نطاق تيار أعلى بكثير. هنا يمكن تقليل الخسارة الديناميكية حتى 50٪ مقارنة بـ Si IGBT، حتى عند سرعة التحويل المنخفضة (5 كيلو فولت / ميكرو ثانية).
1200 فولت سي منفصل IGBT مقابل SiC MOSFET
فيما يتعلق سي الموجودة IGBT الحلول ، تقدم CoolSiC ™ MOSFETs العديد من الأسباب لتقديم أفضل أداء في مجموعة متنوعة من التطبيقات. بالنسبة لفقد التوصيل ، تتمتع وحدات CoolSiC ™ MOSFET بسلوك مقاوم ، مما يؤدي إلى تقليل فقد التوصيل بنسبة تصل إلى 80٪ مقارنةً بـ IGBTs في النطاق الحالي المنخفض. يؤدي هذا إلى تقليل إجمالي فقدان النظام بشكل كبير، نظرًا لأن محركات الأقراص المؤازرة تعمل بنسبة تزيد عن 90% من الوقت بتيار منخفض نسبيًا. تحقق وحدات CoolSiC™ MOSFET بقدرة 1200 فولت الموجودة في محولات الطاقة فقدًا ديناميكيًا أقل بكثير مقارنةً بوحدات Si IGBTs.
هذا يرجع إلى الهيكل أحادي القطب لـ MOSFET، حيث لا تشارك شركات شحن الأقلية أثناء عمليات التبديل. لا تزداد خسائر التبديل في CoolSiC ™ MOSFETs مع درجة الحرارة ، وهو ما يحدث مع IGBTs.
تبديل أشكال الموجة
علاوة على ذلك ، فإن CoolSiC ™ MOSFET لا يحتاج إلى الصمام الثنائي المشترك ؛ يستخدم الصمام الثنائي الداخلي للجسم الذي يعمل كصمام ثنائي حر. باستخدام أ MOSFET يؤدي الصمام الثنائي الداخلي للجسم إلى انخفاض كبير في Qrr ، مقارنةً بالديودات ثنائية الحركة المصنوعة من السيليكون. لقد ثبت أن استخدام CoolSiC ™ MOSFETs بدلاً من Si IGBTs يمكن أن يقلل من حجم المشتت الحراري بنسبة 63٪ [2] ويقلل من الوزن حتى 65٪ [3].
الشكل 1: سلوك تبديل التشغيل لـ Si IGBT مقابل CoolSiC ™ MOSFET عند 5 كيلو فولت / ميكروثانية
بالنسبة للتطبيقات مثل المحركات المؤازرة والأذرع الروبوتية الصناعية ، حيث تكون قدرة التبريد محدودة وتكون الكفاءة مهمة ، فإن استخدام وحدات CoolSiC ™ MOSFET له مزايا هائلة ، خاصة إذا كان الحجم والوزن والتصميم المضغوط من الأولويات الرئيسية لمصمم النظام.
تسبب كابلات المحرك الطويلة جهدًا عاليًا في الذروة في المحرك ، مما يضغط على نظام عزل المحرك ومحامل المحرك. لحماية محرك الأقراص ، غالبًا ما يظل المصنعون أقل من سرعة التحويل 5 كيلو فولت / ميكرو ثانية. إذا كان CoolSiC ™ MOSFET يتم تشغيله بمعدل dv/dt منخفض، مما يؤدي إلى زيادة خسائر التحويل. ومع ذلك، فإن CoolSiC™ MOSFET لا يزال لديها خسائر تحويل أقل بنسبة تزيد عن 50٪ مقارنة بـ IGBTs عالية السرعة عند 5 كيلو فولت / ميكروثانية.
الشكل 2: سلوك تبديل إيقاف التشغيل IGBT مقابل CoolSiC ™ MOSFET بسرعة 5 كيلوفولت / ميكرو ثانية 7
بالإضافة إلى ذلك ، تتميز وحدات CoolSiC ™ MOSFET بفقد تحويل مستقل عن درجة الحرارة وأصغر الجهد االكهربى التجاوز ، بسبب انخفاض التيار الأكثر سلاسة. IGBT التبديل الجهد االكهربى لديه تجاوز أعلى ، وسرعة التحويل تتباطأ بشكل ملحوظ في درجات الحرارة المرتفعة (انظر الشكل 2). يمكن لوحدات CoolSiC ™ MOSFET التبديل بسرعة تتجاوز 60 كيلوفولت / ثانية ، وهناك طريقة لإطلاق العنان لإمكانات تقليل الفقد. يمكن القيام بذلك عن طريق تنفيذ مرشح dv / dt على خرج العاكس. بهذه الطريقة ، فإن ملف أشباه الموصلات يمكن التبديل بأقصى سرعة ، وسيمنع الفلتر لفات المحرك من الإجهاد عند ارتفاع dv / dt والجهود القصوى. تم تنفيذ هذا بالفعل في محركات الأقراص عالية السرعة. في دراسات مختلفة ، تم تقديم مرشحات dv / dt مع حل مرشح محسن يمكن تحقيقه عن طريق توصيل مرشح dv / dt بالإمكانات المتوسطة لوصلة DC. يعد استخدام محركات جديدة مع أنظمة عزل معززة جنبًا إلى جنب مع مرشحات dv / dt المصغرة طرقًا للاستفادة من الإمكانات الكاملة لمفاتيح SiC. [5]
المحاكاة والتحقق التجريبي
من أجل رؤية أداء أجهزة CoolSiC ™ وفهم سلوك محركات الأقراص المؤازرة في ظروف مختلفة ، تم إجراء دراسة محاكاة ومقارنة بنتائج الاختبار التجريبي.
من الصعب جدًا قياس درجة حرارة التوصيل للأجهزة في نظام حقيقي ، حيث يتم عادةً اكتشاف درجة حرارة العلبة. للحصول على تقدير أكثر دقة لدرجة حرارة الوصلة ، يوصى باستخدام المحاكاة.
لتأكيد أداء حل CoolSiC ™ MOSFET المنفصل المقترح أخيرًا مقارنةً بالحلول عالية السرعة IGBT الحل ، وهو نموذج محاكاة يعتمد على أ ثلاث مراحل تم تطوير طوبولوجيا B6 لتقدير أداء الوصلة Tj والخسائر المقابلة للعاكس.
توضح النتائج الواردة في الشكل 3 أنه حتى عند 5 كيلو فولت / ميكرو ثانية ، تُظهر وحدات CoolSiC ™ MOSFET المتباطئة بشدة خسارة أقل بنسبة تصل إلى 60٪ وارتفاعًا أقل في درجة حرارة الوصلة (Tj) بنسبة 38٪ بالمقارنة مع IGBT عالي السرعة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الصمامات الثنائية للجسم لا تحتوي على شحنة استرداد عكسية (أو منخفضة جدًا) (Qrr) وأن وحدات CoolSiC ™ MOSFET ليس لها تيار خلفي ، كما هو موضح في الشكلين 1 و 2.
الشكل 3: مقارنة الحرارة والفقد بين CoolSiC ™ MOSFET مقابل 3 IGBT عالي السرعة لنظام 6.5 كيلو واط بسرعة تبديل 5 كيلو فولت / ثانية (dv / dt) لسرعة ثابتة ووضع التسارع / الكبح
تشير اللوائح الجديدة [5] إلى أنه يمكن زيادة سرعة تبديل المحركات عالية السرعة حتى 8 كيلو فولت / ثانية بتردد تبديل يبلغ 16 كيلو هرتز. نظرًا للتجاوز الأقل بكثير لوحدات CoolSiC ™ MOSFET مقارنةً بـ IGBT ، فمن الممكن تشغيل CoolSiC ™ في حالات معينة بدرجة أعلى. لا تستفيد تطبيقات محركات الأقراص المؤازرة عادةً من الكابلات الطويلة ، والتي تتيح أيضًا التبديل بشكل أسرع.
عندما يتم تشغيل CoolSiC ™ MOSFET بقدرة 8 كيلو فولت / ثانية (بدلاً من 5 كيلو فولت / ميكرو ثانية) ، فإن الخسائر أقل بنسبة تصل إلى 64٪ ، وارتفاع درجة حرارة أقل بنسبة تصل إلى 47٪ في Tj ، يكون ممكنًا مقارنة بالسرعة العالية 3 IGBT ، الذي يظهر في الشكل 4.
الشكل 4: مقارنة الحرارة والفقد بين CoolSiC ™ MOSFET مقابل 3 IGBT عالي السرعة لنظام 6.5 كيلو واط بسرعة تبديل 8 كيلو فولت / ميكرو ثانية (dv / dt) لسرعة ثابتة ووضع التسارع / الكبح.
وفي الختام
أكدت نتائج الاختبار والتحقق من صحة المحاكاة أن استخدام وحدات CoolSiC ™ MOSFET في محركات مؤازرة يؤدي إلى تقليل الخسارة بنسبة 64٪ وارتفاع درجة الحرارة بنسبة 47٪ عند سرعات التحويل المنخفضة (5-8 كيلو فولت / μs).
الشكل 5: مثال اختيار RDS (on) للمتطلبات المستهدفة المختلفة لحل محرك سيرفو وإعداد اختبار المحرك مع حالة الاختبار
باستخدام 60 mΩ CoolSiC ™ MOSFET لاستبدال 40 A IGBT في تطبيق محرك سيرفو ، مع الحفاظ على المشتت الحراري ومتطلبات dv / dt ، إجمالي أشباه الموصلات تنخفض الخسارة بمقدار النصف تقريبًا عند درجات حرارة تقاطع قصوى مماثلة.
يوفر تقليل فقدان CoolSiC درجة جديدة من المرونة لتحسينات النظام:
- المفاضلة بين تيار الخرج ، Tj ، جهود التبريد واختيار RDS (on)
- يتيح ΔTj المنخفض من CoolSiC ™ MOSFETs التبريد السلبي
المراجع:
[1] د. فاني بجورك ، د. زيهوي يوان إنفينيون تكنولوجيز أيه جي ، النمسا. CoolSiC ™ SiC MOSFETs: حل لطبولوجيا الجسور في ثلاث مراحل تحويل الطاقة 2019
[2] Sahan Benjamin ، Brodt Anastasia Infineon Technologies AG ، ألمانيا. تعزيز كثافة الطاقة وكفاءة المحركات متغيرة السرعة مع 1200 فولت SiC T-MOSFET. PCIM Europe 2017 ، 16-18 مايو 2017 ، نورمبرج ، ألمانيا
[3] Tiefu Zhao ، Jun Wang ، Alex Q. Huang ، مقارنات بين SiC MOSFET و Si IGBT Based Motor Drive Systems 2007
[4] S. Tiwari ، OM Midtgard ، TM Undeland. SiC MOSFETs لتطبيقات المحركات المستقبلية 2016
[5] K. Vogel، A. Brodt، A. Rossa “تحسين الكفاءة في محركات AC: جديد أشباه الموصلات الحلول وتحدياتها "، EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ rating-boards / Eval-m5-imz120r-sic /
ظهر هذا المقال في الأصل في مجلة Bodo's Power Systems.