Per applicazioni come i servoazionamenti, dimensioni e peso sono molto importanti, tuttavia la capacità di raffreddamento è limitata. Per questo motivo, i MOSFET discreti CoolSiC™ sono la soluzione ideale per soddisfare questi requisiti e migliorare le prestazioni. Le perdite ridotte consentono l'implementazione di un design fanless a manutenzione zero. Inoltre, il motore e l'azionamento possono essere integrati, riducendo così le dimensioni del quadro elettrico e semplificando il cablaggio.
CoolSiC ™ MOSFET nei servoazionamenti
Una delle applicazioni influenzate da CoolSiC ™ mosfet performance sono sistemi di servoazionamento, che sono tipicamente caratterizzati da inverter efficienti e compatti come quelli utilizzati nei robot industriali e nell'automazione. È possibile ottenere riduzioni di perdita di conduzione e commutazione in tutte le modalità operative comprese accelerazione, velocità costante e modalità di interruzione.
Utilizzo di CoolSiC ™ mosfet nei servoazionamenti offre i seguenti vantaggi:
- Elevata coppia di accelerazione e frenata, che sono parametri chiave del servoazionamento
- Alta affidabilità, manutenzione ridotta grazie alla soluzione di azionamento senza ventola
I MOSFET CoolSiC ™ nei servoazionamenti consentono anche l'integrazione di motore e azionamento, il che significa:
- C'è un solo cavo dal quadro elettrico, che riduce i costi semplificando il collegamento e aumenta l'affidabilità del sistema grazie a un minor numero di cavi / cablaggio meno complesso
- Non è necessario alcun armadio di controllo dell'inverter (o solo uno più piccolo)
Le applicazioni con servoazionamento funzionano tipicamente ≥90% in un periodo di velocità costante con bassa coppia, cioè bassa corrente. Nella modalità di accelerazione e frenata, il convertitore normalmente funziona a un intervallo di corrente molto più elevato. Qui la perdita dinamica potrebbe essere ridotta fino al 50% rispetto a un Si IGBT, anche a bassa velocità di commutazione (5 kV / μs).
1200 V discreto Si IGBT rispetto al SiC mosfet
Rispetto al Si esistente IGBT soluzioni, i MOSFET CoolSiC™ offrono molte ragioni per fornire le migliori prestazioni in una varietà di applicazioni. Per la perdita di conduzione, i MOSFET CoolSiC™ hanno un comportamento resistivo, che si traduce in una riduzione della perdita di conduzione fino all'80% rispetto a IGBT a un intervallo di corrente basso. Ciò riduce notevolmente la perdita totale del sistema, poiché i servoazionamenti funzionano per >90% del tempo con una corrente relativamente bassa. I MOSFET CoolSiC™ da 1200 V nei convertitori di potenza raggiungono perdite dinamiche molto inferiori rispetto al Si IGBTs.
Ciò è dovuto alla struttura unipolare di a mosfet, in cui non sono coinvolti portatori di carica di minoranza durante i processi di commutazione. Le perdite di commutazione dei MOSFET CoolSiC™ non aumentano con la temperatura, come accade con gli IGBT.
Commutazione delle forme d'onda
Inoltre, CoolSiC™ mosfet non necessita di un diodo co-pack; utilizza un body diode interno che funziona come un diodo a ruota libera. Usare un mosfet il diodo del corpo interno porta a un'enorme riduzione di Qrr, rispetto ai diodi a ruota libera in silicio co-pack. È stato dimostrato che l'utilizzo di MOSFET CoolSiC™ invece di IGBT Si può ridurre le dimensioni del dissipatore di calore del 63% [2] e il peso fino al 65% [3].
Figura 1: comportamento di commutazione all'accensione di Si IGBT rispetto a CoolSiC™ mosfet a 5 kV/μs
Per applicazioni come servomotori e bracci robotici industriali, dove la capacità di raffreddamento è limitata e l'efficienza è importante, l'utilizzo dei MOSFET CoolSiC ™ presenta enormi vantaggi, soprattutto se le dimensioni, il peso e il design compatto sono priorità chiave per il progettista del sistema.
I lunghi cavi del motore causano elevate tensioni di picco sul motore, che sollecitano il sistema di isolamento del motore e i cuscinetti del motore. Per proteggere l'azionamento, i produttori spesso rimangono al di sotto della velocità di commutazione di 5 kV/μs. Se un CoolSiC™ mosfet è pilotato con un basso dv/dt, le sue perdite di commutazione aumenteranno. Tuttavia, il CoolSiC™ MOSFET presenta comunque perdite di commutazione inferiori di oltre il 50% rispetto agli IGBT ad alta velocità a 5 kV/μs.
Figura 2: comportamento di commutazione allo spegnimento IGBT vs MOSFET CoolSiC™ a 5 kV/μs7
Inoltre, i MOSFET CoolSiC ™ hanno perdite di commutazione indipendenti dalla temperatura e minori voltaggio overshoot, a causa della diminuzione della corrente più uniforme. IGBT commutazione voltaggio ha un overshoot maggiore e la sua velocità di commutazione rallenta notevolmente a temperature più elevate (vedere la Figura 2). I MOSFET CoolSiC™ possono commutare con una velocità superiore a 60 kV/μs e c'è un modo per liberare il potenziale delle riduzioni delle perdite. Può essere fatto implementando un filtro du/dt sull'uscita dell'inverter. In questo modo il Semiconduttore può commutare alla massima velocità e il filtro eviterà sollecitazioni sugli avvolgimenti del motore a dv / dt e tensioni di picco elevate. Questo è già stato implementato nelle unità ad alta velocità. In vari studi, ai filtri dv / dt è stata presentata una soluzione di filtro migliorata che può essere ottenuta collegando il filtro dv / dt al potenziale medio del collegamento CC. L'utilizzo di nuovi motori con sistemi di isolamento rinforzato insieme a filtri du / dt ridotti al minimo è un modo per sfruttare tutto il potenziale degli interruttori SiC. [5]
Simulazione e validazione sperimentale
Per vedere le prestazioni dei dispositivi CoolSiC ™ e comprendere il comportamento dei servoazionamenti in condizioni diverse, è stato effettuato uno studio di simulazione e confrontato con i risultati del test sperimentale.
La temperatura di giunzione dei dispositivi in un sistema reale è molto difficile da misurare, dove normalmente viene rilevata la temperatura della custodia. Per avere una stima più accurata della temperatura di una giunzione, si consiglia la simulazione.
Per confermare finalmente le prestazioni della soluzione discreta MOSFET CoolSiC™ proposta rispetto all'alta velocità IGBT soluzione, un modello di simulazione basato su a Trifase La topologia B6 è stata sviluppata per stimare le prestazioni della giunzione Tj e le corrispondenti perdite dell'inverter.
I risultati nella Figura 3 mostrano che anche a 5 kV / μs, i MOSFET CoolSiC ™ fortemente decelerati mostrano una perdita fino al 60% inferiore e un aumento della temperatura di giunzione (Tj) inferiore del 38% rispetto all'IGBT ad alta velocità. Ciò è dovuto al fatto che i diodi body non hanno (o molto bassa) carica di recupero inversa (Qrr) e che i MOSFET CoolSiC ™ non hanno corrente di coda, come mostrato nelle Figure 1 e 2.
Figura 3: Confronto termico e delle perdite del MOSFET CoolSiC ™ rispetto all'IGBT 3 ad alta velocità per un sistema da 6.5 kW a velocità di commutazione di 5 kV / μs (dv / dt) per velocità costante e modalità di accelerazione / frenatura
Nuove normative [5] indicano che la velocità di commutazione degli azionamenti ad alta velocità può essere aumentata fino a 8 kV / μs con una frequenza di commutazione di 16 kHz. A causa dell'overshoot molto inferiore dei MOSFET CoolSiC ™ rispetto agli IGBT, in alcuni casi è possibile far funzionare CoolSiC ™ anche più in alto. Le applicazioni con servoazionamento normalmente non utilizzano cavi lunghi, il che consente anche una commutazione più rapida.
Quando un MOSFET CoolSiC ™ viene pilotato con 8 kV / μs (invece di 5 kV / μs), sono possibili perdite fino al 64% inferiori e aumento della temperatura fino al 47% inferiore del Tj rispetto a un 3 IGBT, mostrato nella Figura 4.
Figura 4: Confronto termico e delle perdite del MOSFET CoolSiC ™ rispetto all'IGBT 3 ad alta velocità per un sistema da 6.5 kW a una velocità di commutazione di 8 kV / μs (dv / dt) per velocità costante e modalità di accelerazione / frenatura.
Conclusione
I risultati dei test e la convalida della simulazione hanno confermato che l'utilizzo di MOSFET CoolSiC ™ nei servoazionamenti porta a una riduzione delle perdite del 64% e a un aumento della temperatura inferiore del 47% a basse velocità di commutazione (5-8 kV / μs).
Figura 5: esempio di selezione RDS (attivato) per vari requisiti di destinazione di una soluzione di servoazionamento e configurazione di test del motore con condizione di test
Utilizzando un MOSFET CoolSiC ™ da 60 mΩ per sostituire l'IGBT da 40 A in un'applicazione con servoazionamento, mantenendo i requisiti del dissipatore di calore e dv / dt, il totale Semiconduttore la perdita diminuisce di quasi la metà a temperature massime di giunzione simili.
La riduzione delle perdite CoolSiC offre un nuovo grado di flessibilità per i miglioramenti del sistema:
- Compromesso tra corrente di uscita, Tj, sforzi di raffreddamento e selezione RDS (on)
- Il basso ΔTj dei MOSFET CoolSiC ™ consente il raffreddamento passivo
Riferimenti:
[1] Dr. Fanny Björk, Dr. Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, Austria. MOSFET SiC CoolSiC™: una soluzione per topologie a ponte in Trifase conversione di potenza 2019
[2] Sahan Benjamin, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG, Germania. Miglioramento della densità di potenza e dell'efficienza degli azionamenti a velocità variabile con T-MOSFET SiC da 1200V. PCIM Europe 2017, 16-18 maggio 2017, Norimberga, Germania
[3] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang, Confronto tra MOSFET SiC e sistemi di azionamento motore basati su IGBT Si 2007
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. MOSFET SiC per future applicazioni di azionamento di motori 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa “Migliorare l'efficienza negli azionamenti CA: novità Semiconduttore soluzioni e le loro sfide”, EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ evaluation-boards / eval-m5-imz120r-sic /
Questo articolo è apparso originariamente sulla rivista Power Systems di Bodo.