Bei Anwendungen wie Servoantrieben sind Größe und Gewicht sehr wichtig, allerdings ist die Kühlleistung begrenzt. Aus diesem Grund sind diskrete CoolSiC™ MOSFETs die ideale Lösung, um diese Anforderungen zu erfüllen und die Leistung zu verbessern. Die reduzierten Verluste ermöglichen die Implementierung eines wartungsfreien, lüfterlosen Designs. Darüber hinaus können Motor und Antrieb integriert werden, was die Schaltschrankgröße reduziert und die Verkabelung vereinfacht.
CoolSiC ™ MOSFET in Servoantrieben
Eine der von CoolSiC ™ betroffenen Anwendungen MOSFET Leistung sind Servoantriebssysteme, die typischerweise durch effiziente, kompakte Wechselrichter gekennzeichnet sind, wie sie in Industrierobotern und in der Automatisierung verwendet werden. Leitfähigkeits- und Schaltverlustreduzierungen können in allen Betriebsarten einschließlich Beschleunigung, konstanter Geschwindigkeit und Unterbrechungsmodus erzielt werden.
Verwenden von CoolSiC ™ Mosfets in Servoantrieben bietet die folgenden Vorteile:
- Hohes Beschleunigungs- und Bremsmoment, die wichtige Parameter für den Servoantrieb sind
- Hohe Zuverlässigkeit, geringer Wartungsaufwand durch lüfterlose Antriebslösung
CoolSiC ™ MOSFETs in Servoantrieben ermöglichen auch die Integration von Motor und Antrieb, was bedeutet:
- Es gibt nur ein Kabel vom Schaltschrank, was die Kosten durch Vereinfachung der Verbindung senkt und die Systemzuverlässigkeit aufgrund weniger Kabel / weniger komplexer Verkabelung erhöht
- Es wird kein Wechselrichterschrank benötigt (oder nur ein kleinerer)
Servoantriebsanwendungen arbeiten typischerweise ≥ 90% in einer konstanten Drehzahlperiode mit geringem Drehmoment, dh geringem Strom. Im Beschleunigungs- und Bremsmodus arbeitet der Antrieb normalerweise in einem viel höheren Strombereich. Hier konnte der dynamische Verlust gegenüber einem Si um bis zu 50% reduziert werden IGBTauch bei niedriger Schaltgeschwindigkeit (5 kV / μs).
1200 V diskretes Si IGBT vs. SiC MOSFET
In Bezug auf vorhandenes Si IGBT Lösungen bieten CoolSiC™ MOSFETs viele Gründe für die Bereitstellung der besten Leistung in einer Vielzahl von Anwendungen. Bei Leitungsverlusten weisen CoolSiC™ MOSFETs ein Widerstandsverhalten auf, was zu einer Reduzierung der Leitungsverluste um bis zu 80 % im Vergleich zu führt IGBTs im Niedrigstrombereich. Dadurch wird der Gesamtsystemverlust erheblich reduziert, da Servoantriebe zu mehr als 90 % der Zeit mit relativ geringem Strom arbeiten. 1200-V-CoolSiC™-MOSFETs in Leistungswandlern erzielen im Vergleich zu Si deutlich geringere dynamische Verluste IGBTs.
Dies liegt an der unipolaren Struktur von a MOSFET, bei denen bei Schaltvorgängen keine Minderheitsladungsträger beteiligt sind. Die Schaltverluste von CoolSiC™ MOSFETs steigen nicht mit der Temperatur, was bei IGBTs der Fall ist.
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Darüber hinaus ist das CoolSiC™ MOSFET benötigt keine Co-Pack-Diode; Es verwendet eine interne Body-Diode, die als Freilaufdiode fungiert. Verwendung einer MOSFET Die interne Body-Diode führt zu einer enormen Reduzierung von Qrr im Vergleich zu Silizium-Co-Pack-Freilaufdioden. Es wurde nachgewiesen, dass die Verwendung von CoolSiC™ MOSFETs anstelle von Si-IGBTs die Größe des Kühlkörpers um 63 % [2] und das Gewicht um bis zu 65 % [3] reduzieren kann.
Abbildung 1: Einschaltverhalten von Si IGBT vs. CoolSiC™ MOSFET bei 5 kV/μs
Für Anwendungen wie Servomotoren und Industrieroboterarme, bei denen die Kühlleistung begrenzt und die Effizienz wichtig ist, bietet die Verwendung von CoolSiC ™ -MOSFETs enorme Vorteile, insbesondere wenn Größe, Gewicht und kompaktes Design für den Systemdesigner von zentraler Bedeutung sind.
Die langen Motorkabel verursachen hohe Spitzenspannungen am Motor, die das Motorisolationssystem und die Motorlager belasten. Um den Antrieb zu schützen, bleiben Hersteller häufig unter der Schaltgeschwindigkeit von 5 kV/μs. Wenn ein CoolSiC™ MOSFET Wird mit niedrigem dv/dt betrieben, erhöhen sich seine Schaltverluste. Allerdings ist das CoolSiC™ MOSFET weist immer noch über 50 % geringere Schaltverluste im Vergleich zu Hochgeschwindigkeits-IGBTs mit 5 kV/μs auf.
Abbildung 2: Ausschaltverhalten IGBT vs CoolSiC™ MOSFET bei 5 kV/μs7
Darüber hinaus weisen CoolSiC ™ MOSFETs temperaturunabhängige Schaltverluste auf und sind kleiner Spannung Überschwingen aufgrund des sanfteren Stromabfalls. IGBT switch Spannung hat ein höheres Überschwingen und seine Schaltgeschwindigkeit verlangsamt sich bei höheren Temperaturen erheblich (siehe Abbildung 2). CoolSiC™ MOSFETs können mit einer Geschwindigkeit von mehr als 60 kV/μs schalten, und es gibt eine Möglichkeit, das Potenzial der Verlustreduzierung auszuschöpfen. Dies kann durch die Implementierung eines du/dt-Filters am Wechselrichterausgang erreicht werden. Auf diese Weise wird die Halbleiter kann mit maximaler Geschwindigkeit schalten und der Filter verhindert, dass die Motorwicklungen bei hohen dv / dt- und Spitzenspannungen belastet werden. Dies wurde bereits in Hochgeschwindigkeitsantrieben implementiert. In verschiedenen Studien wurde dv / dt-Filtern eine verbesserte Filterlösung vorgestellt, die durch Verbinden des dv / dt-Filters mit dem mittleren Potential des Zwischenkreises erreicht werden kann. Durch die Verwendung neuer Motoren mit verstärkten Isolationssystemen und minimierten dv / dt-Filtern kann das volle Potenzial von SiC-Schaltern ausgeschöpft werden. [5]
Simulation und experimentelle Validierung
Um die Leistung von CoolSiC ™ -Geräten zu sehen und das Verhalten von Servoantrieben unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen, wurde eine Simulationsstudie durchgeführt und mit den experimentellen Testergebnissen verglichen.
Die Sperrschichttemperatur der Geräte in einem realen System ist sehr schwer zu messen, wobei normalerweise die Gehäusetemperatur erfasst wird. Um eine genauere Schätzung einer Sperrschichttemperatur zu erhalten, wird die Simulation empfohlen.
Um abschließend die Leistung der vorgeschlagenen diskreten CoolSiC™ MOSFET-Lösung im Vergleich zur Hochgeschwindigkeitslösung zu bestätigen IGBT Lösung, ein Simulationsmodell basierend auf a Drei Phasen Die B6-Topologie wurde entwickelt, um die Leistung des Übergangs-Tj und die entsprechenden Verluste des Wechselrichters abzuschätzen.
Die Ergebnisse in Abbildung 3 zeigen, dass die stark verlangsamten CoolSiC ™ -MOSFETs selbst bei 5 kV / μs im Vergleich zum Hochgeschwindigkeits-IGBT einen um bis zu 60% geringeren Verlust und einen um 38% geringeren Temperaturanstieg der Sperrschichttemperatur (Tj) aufweisen. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Körperdioden keine (oder sehr geringe) Rückgewinnungsladung (Qrr) aufweisen und dass CoolSiC ™ -MOSFETs keinen Schwanzstrom haben, wie in den 1 und 2 gezeigt.
Abbildung 3: Vergleich von Wärme und Verlust des CoolSiC ™ MOSFET mit dem Hochgeschwindigkeits-3-IGBT für ein 6.5-kW-System bei einer Schaltgeschwindigkeit von 5 kV / μs (dv / dt) für konstante Geschwindigkeit und Beschleunigungs- / Bremsmodus
Neue Vorschriften [5] sehen vor, dass die Schaltgeschwindigkeit von Hochgeschwindigkeitsantrieben mit einer Schaltfrequenz von 8 kHz auf bis zu 16 kV / μs erhöht werden kann. Aufgrund des im Vergleich zu IGBTs deutlich geringeren Überschwingens von CoolSiC ™ -MOSFETs ist es möglich, den CoolSiC ™ in bestimmten Fällen sogar noch höher laufen zu lassen. Servoantriebsanwendungen verwenden normalerweise keine langen Kabel, was auch ein schnelleres Umschalten ermöglicht.
Wenn ein CoolSiC ™ MOSFET mit 8 kV / μs (anstelle von 5 kV / μs) betrieben wird, sind im Vergleich zu einem Hochgeschwindigkeits-64 bis zu 47% geringere Verluste und bis zu 3% weniger Temperaturanstieg des Tj möglich IGBT, das in Abbildung 4 dargestellt ist.
Abbildung 4: Vergleich von Wärme und Verlust des CoolSiC ™ MOSFET mit dem Hochgeschwindigkeits-3-IGBT für ein 6.5-kW-System bei einer Schaltgeschwindigkeit von 8 kV / μs (dv / dt) für konstante Geschwindigkeit und Beschleunigungs- / Bremsmodus.
Zusammenfassung
Die Testergebnisse und die Simulationsvalidierung haben bestätigt, dass die Verwendung von CoolSiC ™ MOSFETs in Servoantrieben bei niedrigen Schaltgeschwindigkeiten (64-47 kV / μs) zu einer Verlustreduzierung von 5% und einem um 8% geringeren Temperaturanstieg führt.
Abbildung 5: RDS (on) -Auswahlbeispiel für verschiedene Zielanforderungen einer Servoantriebslösung und eines Motortestaufbaus mit Testbedingung
Durch die Verwendung eines 60-mΩ-CoolSiC ™ -MOSFET als Ersatz für den 40-A-IGBT in einer Servoantriebsanwendung unter Beibehaltung des Kühlkörpers und der dv / dt-Anforderung bleibt die Gesamtsumme erhalten Halbleiter Der Verlust sinkt bei ähnlichen maximalen Sperrschichttemperaturen um fast die Hälfte.
Die Reduzierung der CoolSiC-Verluste bietet ein neues Maß an Flexibilität für Systemverbesserungen:
- Kompromiss zwischen Ausgangsstrom, Tj, Kühlungsaufwand und RDS (Ein) Auswahl
- Das niedrige ΔTj von CoolSiC ™ MOSFETs ermöglicht die passive Kühlung
References:
[1] Dr. Fanny Björk, Dr. Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, Österreich. CoolSiC™ SiC-MOSFETs: eine Lösung für Brückentopologien in Drei Phasen Stromumstellung 2019
[2] Sahan Benjamin, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG, Deutschland. Verbesserung der Leistungsdichte und Effizienz von Frequenzumrichtern mit 1200 V SiC T-MOSFET. PCIM Europe 2017, 16. - 18. Mai 2017, Nürnberg, Deutschland
[3] Tiefu Zhao, Alex Q. Huang, Jun Wang, Vergleiche von SiC-MOSFET- und Si-IGBT-basierten Motorantriebssystemen 2007
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. SiC-MOSFETs für zukünftige Motorantriebsanwendungen 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa „Verbesserung der Effizienz in AC-Antrieben: Neu Halbleiter Lösungen und ihre Herausforderungen“, EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ Evaluierungsboards / eval-m5-imz120r-sic /
Dieser Artikel erschien ursprünglich in Bodos Power Systems Magazin.