Untuk aplikasi seperti penggerak servo, ukuran dan berat sangatlah penting, namun kemampuan pendinginannya terbatas. Oleh karena itu, MOSFET CoolSiC™ diskrit adalah solusi ideal untuk memenuhi persyaratan ini dan meningkatkan kinerja. Pengurangan kerugian memungkinkan penerapan desain tanpa kipas tanpa pemeliharaan. Selain itu, motor dan penggerak dapat diintegrasikan, sehingga mengurangi ukuran kabinet kontrol, dan menyederhanakan pemasangan kabel.
CoolSiC ™ MOSFET di drive servo
Salah satu aplikasi yang terpengaruh oleh CoolSiC ™ MOSFET kinerja adalah sistem penggerak servo, yang biasanya dicirikan oleh inverter yang efisien dan ringkas seperti yang digunakan dalam robot industri dan otomatisasi. Pengurangan kerugian konduksi dan switching dapat diperoleh di semua mode operasi termasuk akselerasi, kecepatan konstan, dan mode putus.
Menggunakan CoolSiC ™ MOSFET drive servo menawarkan keuntungan berikut:
- Akselerasi tinggi dan torsi pengereman, yang merupakan parameter kunci penggerak servo
- Keandalan tinggi, perawatan rendah karena solusi penggerak tanpa kipas
CoolSiC ™ MOSFET dalam penggerak servo juga memungkinkan integrasi motor dan penggerak, yang berarti:
- Hanya ada satu kabel dari kabinet kontrol, yang mengurangi biaya dengan menyederhanakan koneksi, dan meningkatkan keandalan sistem karena kabel yang lebih sedikit / pemasangan kabel yang tidak terlalu rumit
- Tidak diperlukan kabinet inverter kontrol (atau yang lebih kecil saja)
Aplikasi penggerak servo beroperasi biasanya ≥90% dalam periode kecepatan konstan dengan torsi rendah, yaitu arus rendah. Dalam mode akselerasi dan putus, penggerak biasanya beroperasi pada kisaran arus yang jauh lebih tinggi. Di sini kerugian dinamis dapat dikurangi hingga 50% dibandingkan dengan Si IGBT, bahkan pada kecepatan switching rendah (5 kV / μs).
1200 V Si IGBT vs SiC MOSFET
Sehubungan dengan Si yang ada IGBT solusi, MOSFET CoolSiC™ menawarkan banyak alasan untuk memberikan kinerja terbaik dalam berbagai aplikasi. Untuk kehilangan konduksi, MOSFET CoolSiC™ memiliki perilaku resistif, yang menghasilkan pengurangan kehilangan konduksi hingga 80% dibandingkan dengan IGBT pada kisaran arus rendah. Hal ini sangat mengurangi total kerugian sistem, karena penggerak servo beroperasi >90% sepanjang waktu pada arus yang relatif rendah. MOSFET CoolSiC™ 1200 V pada konverter daya mencapai kerugian dinamis yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan Si IGBTs.
Hal ini disebabkan oleh struktur unipolar dari a MOSFET, di mana tidak ada pembawa muatan minoritas yang terlibat selama proses peralihan. Switching kerugian MOSFET CoolSiC™ tidak meningkat dengan suhu, yang terjadi dengan IGBT.
Mengalihkan bentuk gelombang
Selanjutnya, CoolSiC™ MOSFET tidak membutuhkan dioda co-pack; ia menggunakan dioda bodi internal yang beroperasi sebagai dioda freewheeling. Menggunakan sebuah MOSFET dioda bodi internal menghasilkan pengurangan Qrr yang sangat besar, dibandingkan dengan dioda freewheeling co-pack silikon. Telah terbukti bahwa menggunakan CoolSiC™ MOSFET sebagai pengganti Si IGBT dapat mengurangi ukuran heat sink hingga 63% [2] dan berat hingga 65% [3].
Gambar 1: Perilaku penyalaan Si IGBT vs CoolSiC™ MOSFET pada 5 kV/µs
Untuk aplikasi seperti servomotors dan lengan robot industri, di mana kemampuan pendinginan terbatas dan efisiensi penting, menggunakan CoolSiC ™ MOSFET memiliki keuntungan besar, terutama jika ukuran, berat dan desain yang ringkas adalah prioritas utama bagi perancang sistem.
Kabel motor yang panjang menyebabkan tegangan puncak yang tinggi pada motor, yang menekan sistem isolasi motor dan bantalan motor. Untuk melindungi drive, pabrikan sering tetap berada di bawah kecepatan peralihan 5 kV/μs. Jika CoolSiC™ MOSFET digerakkan dengan dv/dt rendah, kerugian peralihannya akan meningkat. Namun, CoolSiC™ MOSFET masih memiliki kerugian peralihan 50% lebih rendah dibandingkan dengan IGBT berkecepatan tinggi pada 5 kV/μs.
Gambar 2: Perilaku mematikan sakelar IGBT vs CoolSiC™ MOSFET pada 5 kV/μs7
Selain itu, MOSFET CoolSiC ™ memiliki rugi-rugi pengalihan yang tidak bergantung suhu dan lebih kecil tegangan overshoot, karena penurunan arus halus. IGBT beralih tegangan memiliki overshoot yang lebih tinggi, dan kecepatan peralihannya melambat secara signifikan pada suhu yang lebih tinggi (lihat Gambar 2). MOSFET CoolSiC™ dapat beralih dengan kecepatan melebihi 60 kV/μs, dan ada cara untuk mengeluarkan potensi pengurangan kerugian. Ini dapat dilakukan dengan mengimplementasikan filter dv/dt pada output inverter. Dengan cara ini, Semikonduktor dapat beralih pada kecepatan maksimum, dan filter akan mencegah belitan motor dari tegangan pada dv / dt tinggi dan tegangan puncak. Ini telah diterapkan di drive berkecepatan tinggi. Dalam berbagai penelitian, filter dv / dt telah disajikan dengan solusi filter yang lebih baik yang dapat dicapai dengan menghubungkan filter dv / dt ke potensial tengah dari DC-link. Menggunakan motor baru dengan sistem insulasi diperkuat bersama dengan filter dv / dt yang diminimalkan adalah cara memanfaatkan potensi penuh dari sakelar SiC. [5]
Simulasi dan validasi eksperimental
Untuk melihat kinerja perangkat CoolSiC ™ dan memahami perilaku penggerak servo pada kondisi yang berbeda, studi simulasi dilakukan, dan dibandingkan dengan hasil pengujian eksperimental.
Suhu persimpangan perangkat dalam sistem nyata sangat sulit diukur, di mana biasanya suhu casing terdeteksi. Untuk mendapatkan estimasi suhu persimpangan yang lebih akurat, simulasi direkomendasikan.
Untuk akhirnya mengonfirmasi kinerja solusi diskrit CoolSiC™ MOSFET yang diusulkan dibandingkan dengan kecepatan tinggi IGBT solusi, model simulasi berdasarkan a Tiga fase Topologi B6 telah dikembangkan untuk memperkirakan kinerja persimpangan Tj dan kerugian yang sesuai dari inverter.
Hasil pada Gambar 3 menunjukkan bahwa bahkan pada 5 kV / μs, CoolSiC ™ MOSFET yang diperlambat dengan kuat menunjukkan kehilangan hingga 60% lebih rendah dan kenaikan suhu suhu persimpangan (Tj) 38% lebih rendah dibandingkan dengan IGBT kecepatan tinggi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa dioda tubuh tidak memiliki (atau sangat rendah) muatan pemulihan balik (Qrr) dan MOSFET CoolSiC ™ tidak memiliki arus ekor, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2.
Gambar 3: Perbandingan termal dan kerugian CoolSiC ™ MOSFET vs kecepatan tinggi 3 IGBT untuk sistem 6.5 kW pada kecepatan pengalihan 5 kV / μs (dv / dt) untuk kecepatan konstan dan mode akselerasi / pengereman
Peraturan baru [5] menunjukkan bahwa kecepatan switching drive berkecepatan tinggi dapat ditingkatkan hingga 8 kV / μs dengan frekuensi switching 16 kHz. Karena overshoot MOSFET CoolSiC ™ yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan IGBT, CoolSiC ™ dapat dijalankan dalam kasus tertentu bahkan lebih tinggi. Aplikasi penggerak servo biasanya tidak menggunakan kabel panjang, yang juga memungkinkan peralihan yang lebih cepat.
Jika CoolSiC ™ MOSFET digerakkan dengan 8 kV / μs (bukan 5 kV / μs), kehilangan hingga 64% lebih rendah, dan kenaikan suhu Tj hingga 47% lebih rendah, dimungkinkan dibandingkan dengan kecepatan tinggi 3 IGBT, yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4: Perbandingan termal dan kerugian CoolSiC ™ MOSFET vs kecepatan tinggi 3 IGBT untuk sistem 6.5 kW pada kecepatan pengalihan 8 kV / μs (dv / dt) untuk kecepatan konstan dan mode akselerasi / pengereman.
Kesimpulan
Hasil pengujian dan validasi simulasi telah memastikan bahwa penggunaan CoolSiC ™ MOSFET di drive servo menghasilkan pengurangan kehilangan 64% dan kenaikan suhu 47% lebih rendah pada kecepatan switching rendah (5-8 kV / μs).
Gambar 5: Contoh pemilihan RDS (aktif) untuk berbagai persyaratan target solusi penggerak servo dan pengaturan pengujian motor dengan kondisi pengujian
Dengan menggunakan CoolSiC ™ MOSFET 60 mΩ untuk menggantikan 40 A IGBT dalam aplikasi servo-drive, dengan tetap menjaga persyaratan heat sink dan dv / dt, total Semikonduktor kerugian turun hampir setengah pada suhu persimpangan maksimum yang sama.
Pengurangan kerugian CoolSiC memberikan tingkat fleksibilitas baru untuk peningkatan sistem:
- Trade-off antara arus keluaran, Tj, upaya pendinginan dan pemilihan RDS (on)
- ΔTj rendah dari CoolSiC ™ MOSFET memungkinkan pendinginan pasif
Referensi:
[1] Dr. Fanny Björk, Dr. Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, Austria. CoolSiC™ SiC MOSFET: solusi untuk topologi jembatan di Tiga fase konversi daya 2019
[2] Sahan Benjamin, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG, Jerman. Meningkatkan kepadatan daya dan efisiensi penggerak kecepatan variabel dengan 1200V SiC T-MOSFET. PCIM Eropa 2017, 16-18 Mei 2017, Nuremberg, Jerman
[3] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang, Perbandingan Sistem Penggerak Motor Berbasis SiC MOSFET dan Si IGBT 2007
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. SiC MOSFET untuk Aplikasi Penggerak Motor Masa Depan 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa “Meningkatkan efisiensi di AC-Drives: New Semikonduktor solusi dan tantangannya”, EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ evaluasi- boards / eval-m5-imz120r-sic /
Artikel ini pertama kali tayang di majalah Bodo's Power Systems.