Pour les applications telles que les servomoteurs, la taille et le poids sont très importants, mais la capacité de refroidissement est limitée. Pour cette raison, les MOSFET CoolSiC™ discrets constituent la solution idéale pour répondre à ces exigences et améliorer les performances. Les pertes réduites permettent la mise en œuvre d’une conception sans ventilateur ne nécessitant aucune maintenance. De plus, le moteur et le variateur peuvent être intégrés, ce qui réduit la taille de l'armoire de commande et simplifie le câblage.
CoolSiC ™ MOSFET dans les servo variateurs
L'une des applications impactées par CoolSiC ™ mosfet Les performances sont des systèmes servo-variateurs, qui sont généralement caractérisés par des onduleurs efficaces et compacts tels que ceux utilisés dans les robots industriels et l'automatisation. Des réductions des pertes de conduction et de commutation peuvent être obtenues dans tous les modes de fonctionnement, y compris l'accélération, la vitesse constante et le mode de coupure.
Utilisation de CoolSiC ™ mosfet dans les servo variateurs offre les avantages suivants:
- Accélération et couple de freinage élevés, qui sont des paramètres clés du servo-variateur
- Haute fiabilité, faible entretien grâce à la solution d'entraînement sans ventilateur
Les MOSFET CoolSiC ™ dans les servo variateurs permettent également l'intégration du moteur et du variateur, ce qui signifie:
- Il n'y a qu'un seul câble de l'armoire de commande, ce qui réduit les coûts en simplifiant la connexion et augmente la fiabilité du système grâce à moins de câbles / câblage moins complexe
- Il n'y a pas d'armoire d'onduleur de contrôle nécessaire (ou une plus petite uniquement)
Les applications de servo-variateurs fonctionnent généralement ≥90% dans une période de vitesse constante avec un couple faible, c'est-à-dire un courant faible. En mode accélération et coupure, le variateur fonctionne normalement à une plage de courant beaucoup plus élevée. Ici, la perte dynamique pourrait être réduite jusqu'à 50% par rapport à un Si IGBT, même à faible vitesse de commutation (5 kV / μs).
1200 V discret Si IGBT contre SiC mosfet
Par rapport au Si existant IGBT solutions, les MOSFET CoolSiC™ offrent de nombreuses raisons de fournir les meilleures performances dans une variété d'applications. Pour la perte de conduction, les MOSFET CoolSiC™ ont un comportement résistif, ce qui se traduit par une réduction de la perte de conduction jusqu'à 80 % par rapport à IGBT à une plage de courant faible. Cela réduit considérablement la perte totale du système, puisque les servomoteurs fonctionnent > 90 % du temps avec un courant relativement faible. Les MOSFET CoolSiC™ 1200 XNUMX V dans les convertisseurs de puissance permettent d'obtenir des pertes dynamiques bien inférieures à celles du Si IGBTs.
Ceci est dû à la structure unipolaire d'un mosfet, où aucun porteur de charge minoritaire n'est impliqué pendant les processus de commutation. Les pertes de commutation des MOSFET CoolSiC™ n'augmentent pas avec la température, contrairement aux IGBT.
Changement de formes d'onde
De plus, le CoolSiC™ mosfet n'a pas besoin d'une diode co-pack ; il utilise une diode de corps interne qui fonctionne comme une diode de roue libre. Utilisant un mosfet La diode de corps interne conduit à une énorme réduction de Qrr, par rapport aux diodes de roue libre co-pack en silicium. Il a été prouvé que l'utilisation de MOSFET CoolSiC™ au lieu d'IGBT Si peut réduire la taille du dissipateur thermique de 63 % [2] et le poids jusqu'à 65 % [3].
Figure 1 : Comportement de commutation d'activation de Si IGBT par rapport à CoolSiC™ mosfet à 5 kV/μs
Pour les applications telles que les servomoteurs et les bras robotiques industriels, où la capacité de refroidissement est limitée et l'efficacité importante, l'utilisation des MOSFET CoolSiC ™ présente d'énormes avantages, en particulier si la taille, le poids et la conception compacte sont des priorités clés pour le concepteur du système.
Les longs câbles moteur provoquent des tensions de crête élevées au niveau du moteur, qui sollicitent le système d'isolation du moteur et les roulements du moteur. Pour protéger le variateur, les constructeurs restent souvent sous la vitesse de commutation de 5 kV/μs. Si un CoolSiC™ mosfet est piloté avec un faible dv/dt, ses pertes de commutation augmenteront. Cependant, le CoolSiC™ MOSFET présente toujours des pertes de commutation inférieures de plus de 50 % par rapport aux IGBT à grande vitesse à 5 kV/μs.
Figure 2 : Comportement de commutation d'arrêt IGBT vs MOSFET CoolSiC™ à 5 kV/μs7
De plus, les MOSFET CoolSiC ™ présentent des pertes de commutation indépendantes de la température et des Tension dépassement, en raison d'une diminution de courant plus douce. IGBT de commutation Tension a un dépassement plus élevé et sa vitesse de commutation ralentit considérablement à des températures plus élevées (voir Figure 2). Les MOSFET CoolSiC™ peuvent commuter à une vitesse supérieure à 60 kV/μs, et il existe un moyen de libérer le potentiel de réduction des pertes. Cela peut être fait en implémentant un filtre dv/dt sur la sortie de l'onduleur. De cette façon, le Semi-conducteurs peut commuter à la vitesse maximale et le filtre empêchera les enroulements du moteur de se solliciter à des tensions dv / dt élevées et de crête. Cela a déjà été implémenté dans les lecteurs à grande vitesse. Dans diverses études, les filtres dv / dt ont été présentés avec une solution de filtrage améliorée qui peut être obtenue en connectant le filtre dv / dt au potentiel moyen de la liaison CC. L'utilisation de nouveaux moteurs avec des systèmes d'isolation renforcée ainsi que des filtres DV / DT minimisés sont des moyens d'exploiter tout le potentiel des commutateurs SiC. [5]
Simulation et validation expérimentale
Afin de voir les performances des dispositifs CoolSiC ™ et de comprendre le comportement des servo variateurs dans différentes conditions, une étude de simulation a été réalisée et comparée aux résultats des tests expérimentaux.
La température de jonction des appareils dans un système réel est très difficile à mesurer, où normalement la température du boîtier est détectée. Pour avoir une estimation plus précise d'une température de jonction, la simulation est recommandée.
Pour enfin confirmer les performances de la solution discrète CoolSiC™ MOSFET proposée par rapport au haut débit IGBT solution, un modèle de simulation basé sur un Trois phases La topologie B6 a été développée pour estimer les performances de la jonction Tj et les pertes correspondantes de l'onduleur.
Les résultats de la figure 3 montrent que même à 5 kV / μs, les MOSFET CoolSiC ™ fortement décélérés présentent une perte jusqu'à 60% inférieure et une élévation de température de la température de jonction (Tj) inférieure de 38% par rapport à l'IGBT haute vitesse. Cela est dû au fait que les diodes du corps n'ont pas (ou très peu) de charge de récupération inverse (Qrr) et que les MOSFET CoolSiC ™ n'ont pas de courant de queue, comme le montrent les figures 1 et 2.
Figure 3: Comparaison thermique et des pertes du CoolSiC ™ MOSFET vs 3 IGBT haute vitesse pour un système de 6.5 kW à 5 kV / μs (dv / dt) vitesse de commutation pour vitesse constante et mode accélération / freinage
De nouvelles réglementations [5] indiquent que la vitesse de commutation des variateurs à grande vitesse peut être augmentée jusqu'à 8 kV / μs avec une fréquence de découpage de 16 kHz. En raison du dépassement beaucoup plus faible des MOSFET CoolSiC ™ par rapport aux IGBT, il est possible d'exécuter le CoolSiC ™ dans certains cas encore plus haut. Les applications de servo-variateurs n'utilisent généralement pas de longs câbles, ce qui permet également une commutation plus rapide.
Lorsqu'un MOSFET CoolSiC ™ est entraîné avec 8 kV / μs (au lieu de 5 kV / μs), des pertes jusqu'à 64% inférieures et une élévation de température du Tj jusqu'à 47% plus basse sont possibles par rapport à une haute vitesse 3 IGBT, illustré à la figure 4.
Figure 4: Comparaison thermique et des pertes du CoolSiC ™ MOSFET vs 3 IGBT haute vitesse pour un système de 6.5 kW à une vitesse de commutation de 8 kV / μs (dv / dt) pour une vitesse constante et un mode accélération / freinage.
Conclusion
Les résultats des tests et la validation de la simulation ont confirmé que l'utilisation des MOSFET CoolSiC ™ dans les servo variateurs entraîne une réduction des pertes de 64% et une élévation de température de 47% inférieure à des vitesses de commutation faibles (5 à 8 kV / μs).
Figure 5: Exemple de sélection RDS (on) pour diverses exigences cibles d'une solution de servo-variateur et configuration de test de moteur avec condition de test
En utilisant un 60 mΩ CoolSiC ™ MOSFET pour remplacer l'IGBT 40 A dans une application de servo-variateur, tout en maintenant le dissipateur thermique et les exigences dv / dt, le total Semi-conducteurs la perte diminue de près de moitié à des températures de jonction maximales similaires.
La réduction des pertes CoolSiC offre un nouveau degré de flexibilité pour les améliorations du système:
- Compromis entre le courant de sortie, Tj, les efforts de refroidissement et la sélection RDS (marche)
- Le faible ΔTj des MOSFET CoolSiC ™ permet un refroidissement passif
Références:
[1] Dr Fanny Björk, Dr Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, Autriche. MOSFET CoolSiC™ SiC : une solution pour les topologies de pont dans Trois phases conversion de puissance 2019
[2] Sahan Benjamin, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG, Allemagne. Amélioration de la densité de puissance et de l'efficacité des variateurs de vitesse avec 1200V SiC T-MOSFET. PCIM Europe 2017, 16 - 18 mai 2017, Nuremberg, Allemagne
[3] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang, Comparaisons de SiC MOSFET et Si IGBT Based Motor Drive Systems 2007
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. MOSFET SiC pour les futures applications d'entraînement de moteur 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa « Améliorer l'efficacité des variateurs AC : Semi-conducteurs solutions et leurs enjeux », EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ evaluation- boards / eval-m5-imz120r-sic /
Cet article a été initialement publié dans le magazine Bodo's Power Systems.