서보 드라이브와 같은 애플리케이션의 경우 크기와 무게가 매우 중요하지만 냉각 기능은 제한됩니다. 이러한 이유로 개별 CoolSiC™ MOSFET은 이러한 요구 사항을 충족하고 성능을 향상시키기 위한 이상적인 솔루션입니다. 손실이 줄어들면 유지 관리가 필요 없는 팬리스 설계를 구현할 수 있습니다. 또한 모터와 드라이브를 통합할 수 있으므로 제어 캐비닛 크기가 줄어들고 케이블링이 단순화됩니다.
CoolSiC ™ MOSFET 서보 드라이브
CoolSiC ™의 영향을받는 응용 프로그램 중 하나 이끼 성능은 일반적으로 산업용 로봇 및 자동화에 사용되는 것과 같은 효율적이고 컴팩트 한 인버터가 특징 인 서보 드라이브 시스템입니다. 가속, 정속 및 차단 모드를 포함한 모든 작동 모드에서 전도 및 스위칭 손실 감소를 얻을 수 있습니다.
CoolSiC ™ 사용 MOSFET 서보 드라이브에서 제공하는 이점은 다음과 같습니다.
- 주요 서보 드라이브 매개 변수 인 높은 가속 및 제동 토크
- 팬이없는 드라이브 솔루션으로 높은 신뢰성, 낮은 유지 보수
서보 드라이브의 CoolSiC ™ MOSFET은 또한 모터와 드라이브의 통합을 가능하게합니다.
- 제어 캐비닛에는 단 하나의 케이블 만있어 연결을 단순화하여 비용을 절감하고 케이블 수가 적거나 복잡한 케이블 연결이 적어 시스템 안정성을 높입니다.
- 제어 인버터 캐비닛이 필요하지 않습니다 (또는 더 작은 캐비닛 만).
서보 드라이브 애플리케이션은 낮은 토크, 즉 낮은 전류로 일정한 속도 기간에 일반적으로 ≥90 % 작동합니다. 가속 및 차단 모드에서 드라이브는 일반적으로 훨씬 더 높은 전류 범위에서 작동합니다. 여기서 동적 손실은 Si에 비해 최대 50 %까지 감소 될 수 있습니다. IGBT, 낮은 스위칭 속도 (5kV / μs)에서도.
1200V 개별 Si IGBT 대 SiC 이끼
기존 Si에 대하여 IGBT 솔루션, CoolSiC™ MOSFET은 다양한 애플리케이션에서 최고의 성능을 제공하는 많은 이유를 제공합니다. 전도 손실의 경우 CoolSiC™ MOSFET은 저항 동작을 하므로 전도 손실이 최대 80% 감소합니다. IGBT 낮은 전류 범위에서. 이는 서보 드라이브가 상대적으로 낮은 전류에서 90% 이상의 시간 동안 작동하기 때문에 전체 시스템 손실을 크게 줄여줍니다. 전력 컨버터의 1200V CoolSiC™ MOSFET은 Si에 비해 훨씬 낮은 동적 손실을 달성합니다. IGBTs.
이는 유니폴라 구조 때문이다. 이끼, 스위칭 프로세스 중에 소수 전하 캐리어가 포함되지 않습니다. CoolSiC™ MOSFET의 스위칭 손실은 IGBT에서 발생하는 온도에 따라 증가하지 않습니다.
파형 전환
또한 CoolSiC™ 이끼 공동 팩 다이오드가 필요하지 않습니다. 프리휠링 다이오드로 작동하는 내부 바디 다이오드를 사용합니다. 사용 이끼 내부 바디 다이오드는 실리콘 코팩 프리휠링 다이오드에 비해 Qrr이 크게 감소합니다. Si IGBT 대신 CoolSiC™ MOSFET을 사용하면 방열판 크기를 63%[2], 무게를 최대 65%까지 줄일 수 있다는 것이 입증되었습니다[3].
그림 1: Si의 턴온 스위칭 동작 IGBT 대 CoolSiC™ 이끼 5kV/μs에서
냉각 기능이 제한되고 효율성이 중요한 서보 모터 및 산업용 로봇 암과 같은 애플리케이션의 경우 CoolSiC ™ MOSFET을 사용하면 특히 크기, 무게 및 컴팩트 한 디자인이 시스템 설계자의 핵심 우선 순위 인 경우 큰 이점이 있습니다.
긴 모터 케이블은 모터에서 높은 피크 전압을 발생시켜 모터 절연 시스템과 모터 베어링에 스트레스를 줍니다. 드라이브를 보호하기 위해 제조업체는 종종 5kV/μs 스위칭 속도 미만을 유지합니다. CoolSiC™인 경우 이끼 낮은 dv/dt로 구동되면 스위칭 손실이 증가합니다. 그러나 CoolSiC™ MOSFET 50kV/μs의 고속 IGBT에 비해 스위칭 손실이 여전히 5% 이상 낮습니다.
그림 2: 끄기 스위칭 동작 IGBT 5kV/μs7에서 CoolSiC™ MOSFET 대비
또한 CoolSiC ™ MOSFET은 온도와 무관 한 스위칭 손실이 있으며 전압 더 부드러운 전류 감소로 인한 오버슈트. IGBT 전환 전압 오버슈트가 더 높고 더 높은 온도에서 스위칭 속도가 크게 느려집니다(그림 2 참조). CoolSiC™ MOSFET은 60kV/μs를 초과하는 속도로 전환할 수 있으며 손실 감소의 잠재력을 발휘할 수 있는 방법이 있습니다. 인버터 출력에 dv/dt 필터를 구현하여 수행할 수 있습니다. 이 방법으로 반도체 최대 속도로 전환 할 수 있으며 필터는 모터 권선이 높은 dv / dt 및 피크 전압에서 스트레스를받는 것을 방지합니다. 이것은 이미 고속 드라이브에서 구현되었습니다. 다양한 연구에서 dv / dt 필터는 dv / dt 필터를 DC 링크의 중간 전위에 연결하여 달성 할 수있는 개선 된 필터 솔루션으로 제시되었습니다. 최소화 된 dv / dt 필터와 함께 강화 절연 시스템이있는 새 모터를 사용하는 것은 SiC 스위치의 잠재력을 최대한 활용하는 방법입니다. [5]
시뮬레이션 및 실험적 검증
CoolSiC ™ 장치의 성능을 확인하고 다양한 조건에서 서보 드라이브의 동작을 이해하기 위해 시뮬레이션 연구를 수행하고 실험 테스트 결과와 비교했습니다.
실제 시스템에서 장치의 접합 온도는 측정하기가 매우 어렵습니다. 일반적으로 케이스 온도가 감지됩니다. 접합 온도를보다 정확하게 추정하려면 시뮬레이션이 권장됩니다.
고속과 비교하여 제안된 CoolSiC™ MOSFET 이산 솔루션의 성능을 마지막으로 확인하기 위해 IGBT 솔루션, 기반 시뮬레이션 모델 세 단계 B6 토폴로지는 정션 Tj 성능과 인버터의 해당 손실을 추정하기 위해 개발되었습니다.
그림 3의 결과는 5kV / μs에서도 강력하게 감속 된 CoolSiC ™ MOSFET이 고속 IGBT에 비해 접합 온도 (Tj)의 최대 60 % 낮은 손실과 38 % 낮은 온도 상승을 보여줍니다. 이는 그림 1과 2에 표시된 것처럼 바디 다이오드에 역 회복 전하 (Qrr)가 없거나 (또는 매우 낮음) CoolSiC ™ MOSFET에 테일 전류가 없기 때문입니다.
그림 3 : 일정한 속도 및 가속 / 제동 모드에서 3kV / μs (dv / dt) 스위칭 속도에서 6.5kW 시스템의 CoolSiC ™ MOSFET과 고속 5 IGBT의 열 및 손실 비교
새로운 규정 [5]은 고속 드라이브의 스위칭 속도를 8kHz 스위칭 주파수로 최대 16kV / μs까지 높일 수 있음을 나타냅니다. IGBT에 비해 CoolSiC ™ MOSFET의 오버 슈트가 훨씬 낮기 때문에 특정 경우에는 CoolSiC ™를 훨씬 더 높게 실행할 수 있습니다. 서보 드라이브 애플리케이션은 일반적으로 긴 케이블을 사용하지 않으므로 더 빠른 전환이 가능합니다.
CoolSiC ™ MOSFET이 8kV / μs (5kV / μs 대신)로 구동되면 Tj의 최대 64 % 낮은 손실과 최대 47 % 낮은 온도 상승이 고속 3에 비해 가능합니다. IGBT는 그림 4에 나와 있습니다.
그림 4 : 일정한 속도 및 가속 / 제동 모드에 대한 3kV / μs (dv / dt) 스위칭 속도에서 6.5kW 시스템에 대한 CoolSiC ™ MOSFET과 고속 8 IGBT의 열 및 손실 비교.
결론
테스트 결과와 시뮬레이션 검증을 통해 서보 드라이브에 CoolSiC ™ MOSFET을 사용하면 낮은 스위칭 속도 (64-47kV / μs)에서 5 %의 손실 감소와 8 % 낮은 온도 상승이 가능함이 확인되었습니다.
그림 5 : 서보 드라이브 솔루션의 다양한 대상 요구 사항 및 테스트 조건이있는 모터 테스트 설정에 대한 RDS (on) 선택 예
60mΩ CoolSiC ™ MOSFET을 사용하여 서보 드라이브 애플리케이션에서 40A IGBT를 대체하는 동시에 방열판 및 dv / dt 요구 사항을 유지함으로써 반도체 유사한 최대 접합 온도에서 손실이 거의 절반으로 떨어집니다.
CoolSiC 손실 감소는 시스템 개선을위한 새로운 수준의 유연성을 제공합니다.
- 출력 전류, Tj, 냉각 노력 및 RDS (on) 선택 간의 트레이드 오프
- CoolSiC ™ MOSFET의 낮은 ΔTj로 수동 냉각 가능
참조 :
[1] Dr. Fanny Björk, Dr. Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, 오스트리아. CoolSiC™ SiC MOSFET: 브리지 토폴로지를 위한 솔루션 세 단계 전력 변환 2019
[2] Sahan Benjamin, 독일 Brodt Anastasia Infineon Technologies AG. 1200V SiC T-MOSFET로 가변 속도 드라이브의 전력 밀도와 효율성을 향상시킵니다. PCIM Europe 2017, 16 년 18 월 2017-XNUMX 일, 독일 뉘른베르크
[3] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang, SiC MOSFET 및 Si IGBT 기반 모터 드라이브 시스템 2007 비교
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. 미래 모터 드라이브 애플리케이션을위한 SiC MOSFET 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa "AC 드라이브의 효율성 향상: 신규 반도체 솔루션과 도전 과제”, EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ evaluation- boards / eval-m5-imz120r-sic /
이 기사는 원래 Bodo의 Power Systems 잡지에 실 렸습니다.