עבור יישומים כמו כונני סרוו, הגודל והמשקל חשובים מאוד, עם זאת, יכולת הקירור מוגבלת. מסיבה זו, מגני CoolSiC™ MOSFET דיסקרטיים הם הפתרון האידיאלי למילוי דרישות אלה ולשיפור הביצועים. ההפסדים המופחתים מאפשרים יישום של עיצוב ללא מאוורר ללא תחזוקה. בנוסף, ניתן לשלב את המנוע והכונן, ולכן להקטין את גודל ארון הבקרה, ולפשט את הכבלים.
CoolSiC ™ MOSFET בכונני סרוו
אחת היישומים שהושפעו מ- CoolSiC ™ MOSFET הביצועים הם מערכות כונן סרוו, המאופיינות בדרך כלל בממירים יעילים וקומפקטיים כמו אלה המשמשים ברובוטים תעשייתיים ובאוטומציה. ניתן להשיג הפחתות אובדן מוליך ומיתוג בכל מצבי הפעולה כולל תאוצה, מהירות קבועה ומצב שבירה.
באמצעות CoolSiC ™ מוספים בכונני סרוו מציע את היתרונות הבאים:
- מומנט תאוצה ובלימה גבוה, שהם פרמטרים עיקריים של כונן סרוו
- אמינות גבוהה, תחזוקה נמוכה עקב פתרון כונן ללא מאוורר
CoolSiC ™ MOSFET בכונני סרוו מאפשרים גם שילוב של מנוע וכונן, כלומר:
- יש רק כבל אחד מארון הבקרה, מה שמפחית עלויות על ידי פישוט החיבור, ומגביר את אמינות המערכת עקב פחות כבלים / פחות כבלים מורכבים.
- אין צורך בארון מהפך שליטה (או קטן יותר בלבד)
יישומי כונן סרוו פועלים בדרך כלל ≥90% בתקופת מהירות קבועה עם מומנט נמוך, כלומר זרם נמוך. במצב האצה ושבירה, הכונן פועל בדרך כלל בטווח זרם גבוה בהרבה. כאן ניתן לצמצם את ההפסד הדינמי עד 50% בהשוואה ל- Si IGBT, אפילו במהירות מיתוג נמוכה (5 kV / μs).
1200 וולט בדידה Si IGBT לעומת SiC MOSFET
ביחס לסי קיים IGBT פתרונות, מכשירי MOSFET CoolSiC™ מציעים סיבות רבות לספק את הביצועים הטובים ביותר במגוון יישומים. לאובדן הולכה, למכשירי CoolSiC™ MOSFET יש התנהגות התנגדות, מה שמביא להפחתת אובדן הולכה של עד 80% בהשוואה ל- IGBT בטווח זרם נמוך. זה מקטין מאוד את אובדן המערכת הכולל, מכיוון שכונני סרוו פועלים מעל 90% מהזמן בזרם נמוך יחסית. 1200 V CoolSiC™ MOSFET בממירי הספק משיגים הפסדים דינמיים נמוכים בהרבה בהשוואה ל-Si IGBTs.
זה נובע מהמבנה החד-קוטבי של א MOSFET, שבו לא מעורבים נושאי מיעוט במהלך תהליכי המעבר. הפסדי מיתוג של CoolSiC™ MOSFETs אינם גדלים עם הטמפרטורה, וזה מה שקורה עם IGBTs.
החלפת צורות גל
יתר על כן, ה- CoolSiC™ MOSFET לא צריך דיודה משותפת; הוא משתמש בדיודה פנימית הפועלת כדיודת גלגלים חופשיים. באמצעות א MOSFET דיודת גוף פנימית מובילה להפחתה עצומה של Qrr, בהשוואה לדיודות משולבות סיליקון. הוכח ששימוש ב- CoolSiC™ MOSFETs במקום Si IGBTs יכול להפחית את גודל גוף הקירור ב-63% [2] ומשקל עד 65% [3].
איור 1: התנהגות מיתוג הפעלה של Si IGBT לעומת CoolSiC™ MOSFET ב-5 kV/μs
עבור יישומים כמו סרוו-מוטורים וזרועות רובוטיות תעשייתיות, שבהן יכולת הקירור מוגבלת וחשובה ליעילות, השימוש ב- CoolSiC ™ MOSFET כולל יתרונות עצומים, במיוחד אם גודל, משקל ועיצוב קומפקטי הם סדרי עדיפויות מרכזיים עבור מעצב המערכת.
כבלי המנוע הארוכים גורמים למתחי שיא גבוהים במנוע, המלחיצים את מערכת בידוד המנוע ומסבי המנוע. כדי להגן על הכונן, היצרנים נשארים לעתים קרובות מתחת למהירות המיתוג של 5 kV/μs. אם CoolSiC™ MOSFET מונע עם dv/dt נמוך, הפסדי המיתוג שלו יגדלו. עם זאת, CoolSiC™ MOSFET עדיין יש יותר מ-50% הפסדי מיתוג נמוכים בהשוואה ל-IGBTs במהירות גבוהה ב-5 kV/μs.
איור 2: התנהגות מיתוג כיבוי IGBT לעומת CoolSiC™ MOSFET ב-5 kV/μs7
בנוסף, ל- CoolSiC ™ MOSFET יש הפסדי מיתוג ללא תלות בטמפרטורה מתח חריגה, עקב ירידת זרם חלקה יותר. IGBT מיתוג מתח יש חריגה גבוהה יותר, ומהירות המעבר שלו מואטת משמעותית בטמפרטורות גבוהות יותר (ראה איור 2). CoolSiC™ MOSFETs יכולים לעבור במהירות העולה על 60 קילו וולט/מיקרומטר, ויש דרך לשחרר את הפוטנציאל של הפחתת ההפסדים. ניתן לעשות זאת על ידי הטמעת מסנן dv/dt על יציאת המהפך. בדרך זו, ה סמיקונדקטור יכול לעבור במהירות המקסימלית, והמסנן ימנע מתנועות המנוע להילחץ במתח dv / dt גבוה ובמתחי שיא. זה כבר יושם בכונני מהירות מהירה. במחקרים שונים, הוצגו למסנני dv / dt פתרון סינון משופר שניתן להשיג על ידי חיבור מסנן dv / dt לפוטנציאל האמצעי של קישור ה- DC. שימוש במנועים חדשים עם מערכות בידוד מחוזקות יחד עם מסנני dv / dt ממוזערים הם דרכים לעשות שימוש במלוא הפוטנציאל של מתגי SiC. [5]
סימולציה ואימות ניסיוני
על מנת לראות את הביצועים של מכשירי CoolSiC ™ ולהבין את התנהגותם של כונני סרוו בתנאים שונים, נעשה מחקר סימולציה והושווה לתוצאות הבדיקה הניסויית.
קשה מאוד למדוד את טמפרטורת הצומת של המכשירים במערכת אמיתית, כאשר בדרך כלל מתגלה טמפרטורת המקרה. כדי לקבל אומדן מדויק יותר של טמפרטורת הצומת, מומלץ לבצע סימולציה.
כדי לאשר סוף סוף את הביצועים של הפתרון הדיסקרטי המוצע CoolSiC™ MOSFET בהשוואה למהירות הגבוהה IGBT פתרון, מודל סימולציה המבוסס על א תלת פאזי טופולוגיית B6 פותחה כדי להעריך את ביצועי הצומת Tj וההפסדים המתאימים של המהפך.
התוצאות באיור 3 מראות כי גם ב -5 קילו וולט / מיקרו-שניים, ה- CoolSiC ™ MOSFET מואט מאוד מראים הפסד נמוך ב -60% ועליית טמפרטורה נמוכה ב -38% של טמפרטורת הצומת (Tj) בהשוואה ל- IGBT המהיר. זאת בשל העובדה שלדיודות הגוף אין מטען התאוששות הפוך (או נמוך מאוד) (Qrr) וכי ל- MOSFET של CoolSiC ™ אין זרם זנב, כפי שמוצג באיורים 1 ו -2.
איור 3: השוואה תרמית ואובדן של CoolSiC ™ MOSFET לעומת IGBT מהיר 3 עבור מערכת 6.5 קילוואט במהירות 5 kV / μs (dv / dt) מהירות מיתוג למהירות קבועה ומצב תאוצה / בלימה
תקנות חדשות [5] מצביעות על כך שניתן להגדיל את מהירות המיתוג של כוננים מהירים עד 8 קילו וולט / מיקרו-שניים עם תדר מיתוג של 16 קילו-הרץ. בשל החריגה הנמוכה בהרבה של CoolSiC ™ MOSFETs בהשוואה ל- IGBT, ניתן להריץ את CoolSiC ™ במקרים מסוימים אפילו גבוה יותר. יישומי כונן סרוו בדרך כלל אינם משתמשים בכבלים ארוכים, מה שמאפשר גם לעבור מהיר יותר.
כאשר CoolSiC ™ MOSFET מונע עם 8 קילו וולט / מיקרו-שניים (במקום 5 קילו-וולט / מיקרו-שניות), עד 64% הפסדים נמוכים יותר, ועד 47% עליית טמפרטורה נמוכה יותר של ה- Tj, אפשריים בהשוואה למהירות גבוהה IGBT, שמוצג באיור 3.
איור 4: השוואה תרמית ואובדן של CoolSiC ™ MOSFET לעומת IGBT מהיר 3 עבור מערכת 6.5 קילוואט במהירות 8 kV / μs (dv / dt) מהירות מיתוג למהירות קבועה ומצב תאוצה / בלימה.
סיכום
תוצאות הבדיקה ואימות הסימולציה אישרו כי שימוש ב- CoolSiC ™ MOSFET בכונני סרוו מוביל להפחתת אובדן של 64% ולעליית טמפרטורה נמוכה ב- 47% במהירות מיתוג נמוכה (5-8 קילו וולט / מיקרו-שניות).
איור 5: דוגמת בחירת RDS (מופעלת) לדרישות יעד שונות של פתרון כונן סרוו והתקנת בדיקת מנוע עם תנאי בדיקה
על ידי שימוש ב- CoolSiC ™ MOSFET בגודל 60 mΩ להחלפת ה- IGBT של 40 A ביישום כונן סרוו, תוך שמירה על גוף הקירור ו- dv / dt, סך כל סמיקונדקטור אובדן יורד כמעט במחצית בטמפרטורות צומת מקסימליות דומות.
הפחתת אובדן CoolSiC מספקת מידה חדשה של גמישות לשיפור המערכת:
- החלפה בין זרם תפוקה, Tj, מאמצי קירור ובחירת RDS (on)
- ה- ΔTj הנמוך מ- CoolSiC ™ MOSFET מאפשר קירור פסיבי
הפניות:
[1] ד"ר פאני ביורק, ד"ר Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, אוסטריה. CoolSiC™ SiC MOSFETs: פתרון לטופולוגיות גשר ב תלת פאזי המרת חשמל 2019
[2] סהאן בנימין, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG, גרמניה. שיפור צפיפות ההספק והיעילות של כונני מהירות משתנה עם 1200V SiC T-MOSFET. PCIM אירופה 2017, 16 - 18 במאי 2017, נירנברג, גרמניה
[3] טיפו ג'או, ג'ון וואנג, אלכס ק. הואנג, השוואות בין מערכות כונן מנועי מבוססות SiC MOSFET ו- Si IGBT 2007
[4] ס. טיווארי, אום מידטגארד, TM Undeland. MOSFET של SiC ליישומי כונן מוטורי עתידי 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa "שפר את היעילות בכונני AC: חדש סמיקונדקטור הפתרונות והאתגרים שלהם", EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ הערכת לוחות / eval-m5-imz120r-sic /
מאמר זה הופיע במקור במגזין מערכות החשמל של בודו.