Untuk aplikasi seperti pemacu servo, saiz dan berat adalah sangat penting, bagaimanapun, keupayaan penyejukan adalah terhad. Atas sebab ini, MOSFET CoolSiC™ diskret ialah penyelesaian ideal untuk memenuhi keperluan ini dan meningkatkan prestasi. Kerugian yang dikurangkan membolehkan pelaksanaan reka bentuk tanpa kipas sifar penyelenggaraan. Di samping itu, motor dan pemacu boleh disepadukan, dan oleh itu mengurangkan saiz kabinet kawalan, dan memudahkan pemasangan kabel.
CoolSiC ™ MOSFET dalam pemacu servo
Salah satu aplikasi yang dipengaruhi oleh CoolSiC ™ mosfet prestasi adalah sistem pemacu servo, yang biasanya dicirikan oleh penyongsang yang cekap dan cekap seperti yang digunakan dalam robot industri dan automasi. Pengurangan kehilangan konduksi dan pengalihan dapat diperoleh dalam semua mod operasi termasuk pecutan, kecepatan tetap, dan mod putus.
Menggunakan CoolSiC ™ mosfet dalam servo drive menawarkan faedah berikut:
- Torsi pecutan dan brek tinggi, yang merupakan parameter utama servo-drive
- Kebolehpercayaan tinggi, penyelenggaraan rendah kerana penyelesaian pemacu tanpa kipas
CoolSiC ™ MOSFET dalam pemacu servo juga membolehkan penyatuan motor dan pemacu, yang bermaksud:
- Hanya ada satu kabel dari kabinet kawalan, yang mengurangkan kos dengan mempermudah sambungan, dan meningkatkan kebolehpercayaan sistem kerana kabel yang lebih sedikit / pemasangan kabel yang kurang kompleks
- Tidak diperlukan kabinet penyongsang kawalan (atau yang lebih kecil sahaja)
Aplikasi pemacu servo biasanya beroperasi ≥90% dalam tempoh kelajuan tetap dengan tork rendah, iaitu arus rendah. Dalam mod pecutan dan pecah, pemacu biasanya beroperasi pada julat arus yang jauh lebih tinggi. Di sini kerugian dinamik dapat dikurangkan hingga 50% dibandingkan dengan Si IGBT, walaupun pada kelajuan beralih rendah (5 kV / μs).
1200 V diskrit IGBT berbanding SiC mosfet
Berkenaan dengan Si sedia ada IGBT penyelesaian, CoolSiC™ MOSFET menawarkan banyak sebab untuk memberikan prestasi terbaik dalam pelbagai aplikasi. Untuk kehilangan pengaliran, CoolSiC™ MOSFET mempunyai tingkah laku rintangan, yang mengakibatkan pengurangan kehilangan pengaliran sehingga 80% berbanding dengan IGBT pada julat arus yang rendah. Ini sangat mengurangkan jumlah kehilangan sistem, kerana pemacu servo beroperasi> 90% masa pada arus yang agak rendah. MOSFET 1200 V CoolSiC™ dalam penukar kuasa mencapai kerugian dinamik yang jauh lebih rendah berbanding dengan Si IGBTs.
Ini disebabkan oleh struktur unipolar a mosfet, di mana tiada pembawa caj minoriti terlibat semasa proses pensuisan. Kehilangan penukaran CoolSiC™ MOSFET tidak meningkat dengan suhu, yang berlaku dengan IGBT.
Menukar bentuk gelombang
Tambahan pula, CoolSiC™ mosfet tidak memerlukan diod pek bersama; ia menggunakan diod badan dalaman yang beroperasi sebagai diod roda bebas. Menggunakan a mosfet diod badan dalaman membawa kepada pengurangan besar Qrr, berbanding diod roda bebas pek bersama silikon. Telah terbukti bahawa menggunakan CoolSiC™ MOSFET dan bukannya Si IGBT boleh mengurangkan saiz sink haba sebanyak 63% [2] dan berat sehingga 65% [3].
Rajah 1: Kelakuan pensuisan hidupkan Si IGBT lwn CoolSiC™ mosfet pada 5 kV/μs
Untuk aplikasi seperti servomotor dan lengan robot industri, di mana kemampuan penyejukan terhad dan pentingnya kecekapan, menggunakan CoolSiC ™ MOSFET mempunyai kelebihan besar, terutama jika ukuran, berat dan reka bentuk ringkas adalah keutamaan utama bagi pereka sistem.
Kabel motor yang panjang menyebabkan voltan puncak tinggi pada motor, yang menekankan sistem pengasingan motor dan galas motor. Untuk melindungi pemacu, pengeluar selalunya berada di bawah kelajuan pensuisan 5 kV/μs. Jika CoolSiC™ mosfet didorong dengan dv/dt rendah, kerugian pensuisannya akan meningkat. Walau bagaimanapun, CoolSiC™ MOSFET masih mempunyai lebih daripada 50% kehilangan pensuisan yang lebih rendah berbanding IGBT berkelajuan tinggi pada 5 kV/μs.
Rajah 2: Tingkah laku pensuisan mematikan IGBT vs CoolSiC™ MOSFET pada 5 kV/μs7
Sebagai tambahan, CoolSiC ™ MOSFET mempunyai kehilangan suis bebas suhu dan lebih kecil voltan overshoot, disebabkan penurunan arus yang lebih lancar. IGBT menukar voltan mempunyai overshoot yang lebih tinggi, dan kelajuan pensuisannya menjadi perlahan dengan ketara pada suhu yang lebih tinggi (lihat Rajah 2). MOSFET CoolSiC™ boleh bertukar dengan kelajuan melebihi 60 kV/μs, dan terdapat cara untuk melepaskan potensi pengurangan kerugian. Ia boleh dilakukan dengan melaksanakan penapis dv/dt pada output penyongsang. Dengan cara ini, Semikonduktor boleh beralih pada kelajuan maksimum, dan penapis akan mengelakkan belitan motor daripada tegangan pada voltan tinggi dv / dt dan puncak. Ini telah dilaksanakan dalam pemacu berkelajuan tinggi. Dalam pelbagai kajian, saringan dv / dt telah disajikan dengan penyelesaian penapis yang lebih baik yang dapat dicapai dengan menghubungkan penapis dv / dt ke potensi tengah pautan DC. Menggunakan motor baru dengan sistem penebat bertetulang bersama dengan penapis dv / dt yang minimum adalah cara memanfaatkan potensi penuh suis SiC. [5]
Pengesahan simulasi dan eksperimen
Untuk melihat prestasi peranti CoolSiC ™ dan memahami tingkah laku servo drive pada keadaan yang berbeza, kajian simulasi telah dilakukan, dan dibandingkan dengan hasil ujian eksperimen.
Suhu persimpangan peranti dalam sistem sebenar sangat sukar untuk diukur, di mana biasanya suhu kes dikesan. Untuk membuat anggaran suhu persimpangan yang lebih tepat, simulasi disyorkan.
Untuk akhirnya mengesahkan prestasi penyelesaian diskret CoolSiC™ MOSFET yang dicadangkan berbanding dengan kelajuan tinggi IGBT penyelesaian, model simulasi berdasarkan a Tiga Fasa Topologi B6 telah dibangunkan untuk menganggar prestasi simpang Tj dan kerugian sepadan penyongsang.
Hasil dalam Rajah 3 menunjukkan bahawa walaupun pada 5 kV / μs, CoolSiC ™ MOSFET yang sangat perlahan menunjukkan kehilangan hingga 60% lebih rendah dan kenaikan suhu persimpangan (Tj) 38% lebih rendah berbanding dengan IGBT berkelajuan tinggi. Ini disebabkan oleh fakta bahawa dioda badan tidak mempunyai (atau sangat rendah) cas pemulihan terbalik (Qrr) dan bahawa CoolSiC ™ MOSFET tidak memiliki arus ekor, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2.
Gambar 3: Perbandingan terma dan kerugian CoolSiC ™ MOSFET vs IGBT berkelajuan tinggi 3 untuk sistem 6.5 kW pada kelajuan beralih 5 kV / μs (dv / dt) untuk kelajuan berterusan dan mod pecutan / brek
Peraturan baru [5] menunjukkan bahawa peralihan kelajuan pemacu berkelajuan tinggi dapat ditingkatkan hingga 8 kV / μs dengan frekuensi beralih 16 kHz. Oleh kerana terlalu banyak kelebihan CoolSiC ™ MOSFET berbanding IGBT, kemungkinan menjalankan CoolSiC ™ dalam kes tertentu lebih tinggi. Aplikasi pemacu servo biasanya tidak menggunakan kabel panjang, yang juga membolehkan pertukaran lebih cepat.
Apabila MOSFET CoolSiC ™ digerakkan dengan 8 kV / μs (bukan 5 kV / μs), kerugian hingga 64% lebih rendah, dan kenaikan suhu Tj hingga 47% lebih rendah, adalah mungkin dibandingkan dengan kelajuan tinggi 3 IGBT, yang ditunjukkan dalam Rajah 4.
Gambar 4: Perbandingan termal dan kehilangan CoolSiC ™ MOSFET vs IGBT berkelajuan tinggi 3 untuk sistem 6.5 kW pada kelajuan beralih 8 kV / μs (dv / dt) untuk kelajuan berterusan dan mod pecutan / brek.
Kesimpulan
Hasil ujian dan pengesahan simulasi telah mengesahkan bahawa menggunakan CoolSiC ™ MOSFET dalam servo drive menyebabkan penurunan kehilangan 64% dan kenaikan suhu 47% lebih rendah pada kelajuan beralih rendah (5-8 kV / μs).
Gambar 5: Contoh pemilihan RDS (on) untuk pelbagai keperluan sasaran penyelesaian servo-drive dan persediaan ujian motor dengan keadaan ujian
Dengan menggunakan 60 mΩ CoolSiC ™ MOSFET untuk menggantikan 40 A IGBT dalam aplikasi servo-drive, sambil mengekalkan pendingin dan keperluan dv / dt, jumlahnya Semikonduktor kerugian turun hampir separuh pada suhu persimpangan maksimum yang serupa.
Pengurangan kerugian CoolSiC memberikan tahap fleksibiliti baru untuk penambahbaikan sistem:
- Tukar antara arus keluaran, Tj, usaha penyejukan dan pemilihan RDS (on)
- ΔTj rendah dari CoolSiC ™ MOSFETs membolehkan penyejukan pasif
Rujukan:
[1] Dr. Fanny Björk, Dr. Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, Austria. CoolSiC™ SiC MOSFET: penyelesaian untuk topologi jambatan dalam Tiga Fasa penukaran kuasa 2019
[2] Sahan Benjamin, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG, Jerman. Meningkatkan ketumpatan kuasa dan kecekapan pemacu kelajuan berubah dengan 1200V SiC T-MOSFET. PCIM Europe 2017, 16 - 18 Mei 2017, Nuremberg, Jerman
[3] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang, Perbandingan Sistem Pemacu Motor Berasaskan SiC MOSFET dan Si IGBT 2007
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. SiC MOSFET untuk Aplikasi Pemacu Motor Masa Depan 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa “Tingkatkan kecekapan dalam AC-Drives: Baharu Semikonduktor penyelesaian dan cabaran mereka", EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ evaluasi- papan / eval-m5-imz120r-sic /
Artikel ini mula-mula muncul di majalah Bodo's Power Systems.