Voor toepassingen zoals servoaandrijvingen zijn afmetingen en gewicht erg belangrijk, maar het koelvermogen is beperkt. Om deze reden zijn discrete CoolSiC™ MOSFET's de ideale oplossing om aan deze eisen te voldoen en de prestaties te verbeteren. De verminderde verliezen maken de implementatie van een onderhoudsvrij, ventilatorloos ontwerp mogelijk. Bovendien kunnen de motor en de aandrijving worden geïntegreerd, waardoor de schakelkast kleiner wordt en de bekabeling wordt vereenvoudigd.
CoolSiC ™ MOSFET in servo-aandrijvingen
Een van de applicaties waarop CoolSiC ™ invloed heeft mosfet prestaties zijn servo-aandrijfsystemen, die doorgaans worden gekenmerkt door efficiënte, compacte omvormers zoals die worden gebruikt in industriële robots en automatisering. Reductie van geleidings- en schakelverliezen kan in alle bedrijfsmodi worden verkregen, inclusief acceleratie, constante snelheid en remmodus.
CoolSiC ™ gebruiken mosfets in servo-aandrijvingen biedt de volgende voordelen:
- Hoog acceleratie- en remkoppel, de belangrijkste parameters van de servo-aandrijving
- Hoge betrouwbaarheid, weinig onderhoud dankzij een ventilatorloze aandrijfoplossing
CoolSiC ™ MOSFET's in servo-aandrijvingen maken ook de integratie van motor en aandrijving mogelijk, wat betekent:
- Er komt maar één kabel uit de schakelkast, wat de kosten verlaagt door de aansluiting te vereenvoudigen en de systeembetrouwbaarheid verhoogt door minder kabels / minder complexe bekabeling
- Er is geen schakelkast nodig (of alleen een kleinere)
Servo-drive-toepassingen werken doorgaans ≥90% in een periode van constante snelheid met een laag koppel, dwz een lage stroomsterkte. In de versnellings- en remmodus werkt de omvormer normaal gesproken met een veel hoger stroombereik. Hier kon het dynamische verlies tot 50% worden verminderd in vergelijking met een Si IGBT, zelfs bij een lage schakelsnelheid (5 kV / μs).
1200 V discreet Si IGBT versus SiC mosfet
Met betrekking tot bestaande Si IGBT oplossingen bieden CoolSiC™ MOSFET's vele redenen om de beste prestaties te leveren in een verscheidenheid aan toepassingen. Voor geleidingsverlies hebben CoolSiC™ MOSFET's resistief gedrag, wat resulteert in een reductie van geleidingsverlies tot wel 80% vergeleken met IGBT's bij een laag stroombereik. Dit vermindert het totale systeemverlies aanzienlijk, aangezien servoaandrijvingen >90% van de tijd met een relatief lage stroom werken. 1200 V CoolSiC™ MOSFET's in stroomomvormers bereiken veel lagere dynamische verliezen in vergelijking met Si IGBTs.
Dit komt door de unipolaire structuur van a mosfet, waarbij geen minderheidsladingdragers betrokken zijn bij schakelprocessen. Schakelverliezen van CoolSiC™ MOSFET's nemen niet toe met de temperatuur, wat wel gebeurt bij IGBT's.
Golfvormen wisselen
Verder de CoolSiC™ mosfet heeft geen co-pack-diode nodig; het maakt gebruik van een interne lichaamsdiode die werkt als een vrijloopdiode. Gebruik maken van een mosfet interne lichaamsdiode leidt tot een enorme reductie van Qrr, vergeleken met silicium co-pack vrijloopdiodes. Het is bewezen dat het gebruik van CoolSiC™ MOSFET's in plaats van Si IGBT's de grootte van het koellichaam met 63% [2] en het gewicht tot 65% [3] kan verminderen.
Figuur 1: Schakelgedrag bij inschakelen van Si IGBT versus CoolSiC™ mosfet bij 5 kV/μs
Voor toepassingen zoals servomotoren en industriële robotarmen, waar de koelcapaciteit beperkt is en efficiëntie belangrijk is, heeft het gebruik van CoolSiC ™ MOSFET's enorme voordelen, vooral als grootte, gewicht en compact ontwerp belangrijke prioriteiten zijn voor de systeemontwerper.
De lange motorkabels veroorzaken hoge piekspanningen bij de motor, waardoor het motorisolatiesysteem en de motorlagers onder druk komen te staan. Om de aandrijving te beschermen, blijven fabrikanten vaak onder de schakelsnelheid van 5 kV/μs. Als een CoolSiC™ mosfet wordt aangedreven met een lage dv/dt, zullen de schakelverliezen toenemen. Echter, de CoolSiC™ MOSFET heeft nog steeds meer dan 50% lagere schakelverliezen vergeleken met snelle IGBT's bij 5 kV/μs.
Figuur 2: Schakelgedrag bij uitschakelen IGBT versus CoolSiC™ MOSFET bij 5 kV/μs7
Bovendien hebben CoolSiC ™ MOSFET's temperatuuronafhankelijke schakelverliezen en kleiner spanning overshoot, als gevolg van een vloeiendere stroomafname. IGBT schakelen spanning heeft een hogere doorschietsnelheid en de schakelsnelheid neemt aanzienlijk af bij hogere temperaturen (zie figuur 2). CoolSiC™ MOSFET's kunnen schakelen met een snelheid van meer dan 60 kV/μs, en er is een manier om het potentieel van verliesreductie te benutten. Dit kan worden gedaan door een dv/dt-filter op de uitgang van de omvormer te implementeren. Op deze manier wordt de Halfgeleider kan schakelen op maximale snelheid, en het filter zal voorkomen dat de motorwikkelingen worden belast bij hoge dv / dt en piekspanningen. Dit is al geïmplementeerd in hogesnelheidsschijven. In verschillende onderzoeken zijn dv / dt-filters gepresenteerd met een verbeterde filteroplossing die kan worden bereikt door het dv / dt-filter aan te sluiten op het middenpotentiaal van de DC-link. Het gebruik van nieuwe motoren met versterkte isolatiesystemen in combinatie met geminimaliseerde dv / dt-filters zijn manieren om het volledige potentieel van SiC-schakelaars te benutten. [5]
Simulatie en experimentele validatie
Om de prestaties van CoolSiC ™ -apparaten te zien en het gedrag van servo-aandrijvingen onder verschillende omstandigheden te begrijpen, werd een simulatiestudie uitgevoerd en vergeleken met de experimentele testresultaten.
De junctietemperatuur van de apparaten in een echt systeem is erg moeilijk te meten, waar normaal gesproken de temperatuur van de behuizing wordt gedetecteerd. Om een meer nauwkeurige schatting van een junctietemperatuur te hebben, wordt de simulatie aanbevolen.
Om eindelijk de prestaties van de voorgestelde CoolSiC™ MOSFET discrete oplossing te bevestigen in vergelijking met de hoge snelheid IGBT oplossing, een simulatiemodel gebaseerd op a Drie fase De B6-topologie is ontwikkeld om de Tj-prestaties van het knooppunt en de bijbehorende verliezen van de omvormer te schatten.
De resultaten in Figuur 3 laten zien dat zelfs bij 5 kV / μs de sterk vertraagde CoolSiC ™ MOSFET's tot 60% minder verlies en 38% lagere temperatuurstijging van de junctietemperatuur (Tj) vertonen in vergelijking met de snelle IGBT. Dit komt door het feit dat lichaamsdiodes geen (of zeer lage) omgekeerde herstellading (Qrr) hebben en dat CoolSiC ™ MOSFET's geen staartstroom hebben, zoals weergegeven in afbeelding 1 en 2.
Figuur 3: Thermische en verliesvergelijking van CoolSiC ™ MOSFET versus snelle 3 IGBT voor een 6.5 kW-systeem bij 5 kV / μs (dv / dt) schakelsnelheid voor constante snelheid en acceleratie / remmodus
Nieuwe voorschriften [5] geven aan dat de schakelsnelheid van hogesnelheidsaandrijvingen kan worden verhoogd tot 8 kV / μs met een schakelfrequentie van 16 kHz. Door de veel lagere overshoot van CoolSiC ™ MOSFET's in vergelijking met IGBT's, is het mogelijk om de CoolSiC ™ in bepaalde gevallen nog hoger te laten draaien. Servo-drive applicaties maken normaal gesproken geen gebruik van lange kabels, waardoor ook sneller geschakeld kan worden.
Wanneer een CoolSiC ™ MOSFET wordt aangedreven met 8 kV / μs (in plaats van 5 kV / μs), zijn tot 64% lagere verliezen en tot 47% lagere temperatuurstijging van de Tj mogelijk in vergelijking met een high-speed 3 IGBT, die wordt weergegeven in figuur 4.
Figuur 4: Thermische en verliesvergelijking van CoolSiC ™ MOSFET versus snelle 3 IGBT voor 6.5 kW-systeem bij 8 kV / μs (dv / dt) schakelsnelheid voor constante snelheid en acceleratie / remmodus.
Conclusie
De testresultaten en de simulatievalidatie hebben bevestigd dat het gebruik van CoolSiC ™ MOSFET's in servoaandrijvingen leidt tot 64% verliesvermindering en 47% lagere temperatuurstijging bij lage schakelsnelheden (5-8 kV / μs).
Figuur 5: RDS (aan) selectievoorbeeld voor verschillende doelvereisten van een servo-aandrijfoplossing en motortestopstelling met testconditie
Door een CoolSiC ™ MOSFET van 60 mΩ te gebruiken om de 40 A IGBT in een servo-drive-toepassing te vervangen, terwijl de warmteafleider en dv / dt-vereisten behouden blijven, Halfgeleider verlies daalt met bijna de helft bij vergelijkbare maximale junctietemperaturen.
CoolSiC-verliesvermindering biedt een nieuwe mate van flexibiliteit voor systeemverbeteringen:
- Afweging tussen uitgangsstroom, Tj, koelinspanningen en RDS (aan) selectie
- De lage ΔTj van CoolSiC ™ MOSFETs maakt passieve koeling mogelijk
Referenties:
[1] Dr. Fanny Björk, Dr. Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, Oostenrijk. CoolSiC™ SiC MOSFET's: een oplossing voor brugtopologieën in Drie fase stroomconversie 2019
[2] Sahan Benjamin, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG, Duitsland. Verbetering van de vermogensdichtheid en efficiëntie van frequentieregelaars met 1200V SiC T-MOSFET. PCIM Europe 2017, 16 - 18 mei 2017, Neurenberg, Duitsland
[3] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang, Vergelijkingen van SiC MOSFET en Si IGBT-gebaseerde motoraandrijfsystemen 2007
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. SiC MOSFET's voor toekomstige motoraandrijvingstoepassingen 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa “Verbeter de efficiëntie van frequentieregelaars: nieuw Halfgeleider oplossingen en hun uitdagingen”, EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ evaluatieborden / eval-m5-imz120r-sic /
Dit artikel is oorspronkelijk verschenen in het tijdschrift Bodo's Power Systems.