Para aplicações como servoacionamentos, o tamanho e o peso são muito importantes; no entanto, a capacidade de resfriamento é limitada. Por esse motivo, os MOSFETs discretos CoolSiC™ são a solução ideal para atender a esses requisitos e melhorar o desempenho. As perdas reduzidas permitem a implementação de um design sem ventoinha de manutenção zero. Além disso, o motor e o inversor podem ser integrados e, portanto, reduzir o tamanho do painel de controle e simplificar o cabeamento.
CoolSiC ™ MOSFET em servo drives
Um dos aplicativos impactados pelo CoolSiC ™ mosfet desempenho são sistemas de servo-acionamento, que normalmente são caracterizados por inversores eficientes e compactos, como aqueles usados em robôs industriais e automação. Reduções de perda de condução e comutação podem ser obtidas em todos os modos de operação, incluindo aceleração, velocidade constante e modo de interrupção.
Usando CoolSiC ™ mosfet em servo drives oferece os seguintes benefícios:
- Alta aceleração e torque de frenagem, que são os principais parâmetros do servo-acionamento
- Alta confiabilidade, baixa manutenção devido à solução de acionamento sem ventoinha
Os MOSFETs CoolSiC ™ em servo drives também permitem a integração do motor e do drive, o que significa:
- Há apenas um cabo do gabinete de controle, o que reduz custos ao simplificar a conexão e aumenta a confiabilidade do sistema devido a menos cabos / cabeamento menos complexo
- Não há necessidade de gabinete do inversor de controle (ou apenas um menor)
As aplicações de servo-drive operam normalmente ≥90% em um período de velocidade constante com baixo torque, ou seja, baixa corrente. No modo de aceleração e interrupção, o inversor normalmente opera em uma faixa de corrente muito mais alta. Aqui, a perda dinâmica pode ser reduzida em até 50% em comparação com um Si IGBT, mesmo em uma baixa velocidade de chaveamento (5 kV / μs).
Si discreto 1200 V IGBT versus SiC mosfet
Com relação ao Si existente IGBT soluções, os MOSFETs CoolSiC™ oferecem muitos motivos para fornecer o melhor desempenho em uma variedade de aplicações. Para perda de condução, os MOSFETs CoolSiC™ possuem comportamento resistivo, o que resulta em uma redução de perda de condução de até 80% em comparação com IGBTs em uma faixa de corrente baixa. Isto reduz bastante a perda total do sistema, uma vez que os servoacionamentos operam >90% do tempo com uma corrente relativamente baixa. MOSFETs CoolSiC™ de 1200 V em conversores de potência alcançam perdas dinâmicas muito mais baixas em comparação com Si IGBTs.
Isto se deve à estrutura unipolar de um mosfet, onde nenhuma portadora de carga minoritária está envolvida durante os processos de comutação. As perdas de comutação dos MOSFETs CoolSiC™ não aumentam com a temperatura, o que ocorre com os IGBTs.
Mudança de formas de onda
Além disso, o CoolSiC™ mosfet não precisa de diodo co-pack; ele usa um diodo de corpo interno que opera como um diodo de roda livre. Usando um mosfet o diodo interno do corpo leva a uma enorme redução de Qrr, em comparação com os diodos de roda livre co-pack de silício. Foi comprovado que o uso de MOSFETs CoolSiC™ em vez de IGBTs de Si pode reduzir o tamanho do dissipador de calor em 63% [2] e o peso em até 65% [3].
Figura 1: Comportamento de comutação de ativação do Si IGBT versus CoolSiC™ mosfet a 5 kV/μs
Para aplicações como servomotores e braços robóticos industriais, onde a capacidade de resfriamento é limitada e a eficiência é importante, o uso dos MOSFETs CoolSiC ™ tem grandes vantagens, especialmente se o tamanho, peso e design compacto são as principais prioridades para o projetista do sistema.
Os longos cabos do motor causam altas tensões de pico no motor, que sobrecarregam o sistema de isolamento do motor e os rolamentos do motor. Para proteger o inversor, os fabricantes geralmente permanecem abaixo da velocidade de comutação de 5 kV/μs. Se um CoolSiC™ mosfet for acionado com baixo dv/dt, suas perdas de chaveamento aumentarão. No entanto, o CoolSiC™ MOSFET ainda tem perdas de comutação mais de 50% menores em comparação com IGBTs de alta velocidade a 5 kV/μs.
Figura 2: Comportamento de desligamento IGBT vs CoolSiC™ MOSFET a 5 kV/μs7
Além disso, os MOSFETs CoolSiC ™ têm perdas de comutação independentes da temperatura e menores Voltagem overshoot, devido à diminuição mais suave da corrente. IGBT comutação Voltagem tem overshoot mais alto e sua velocidade de comutação diminui significativamente em temperaturas mais altas (veja a Figura 2). Os MOSFETs CoolSiC™ podem comutar a uma velocidade superior a 60 kV/μs e existe uma maneira de liberar o potencial de redução de perdas. Isso pode ser feito implementando um filtro dv/dt na saída do inversor. Desta forma, o Semicondutores pode alternar na velocidade máxima e o filtro impedirá que os enrolamentos do motor sofram tensão em altas tensões dv / dt e de pico. Isso já foi implementado em unidades de alta velocidade. Em vários estudos, os filtros dv / dt foram apresentados com uma solução de filtro aprimorada que pode ser obtida conectando o filtro dv / dt ao potencial intermediário do link CC. Usar novos motores com sistemas de isolamento reforçado junto com filtros dv / dt minimizados são maneiras de aproveitar todo o potencial dos interruptores SiC. [5]
Simulação e validação experimental
Para ver o desempenho dos dispositivos CoolSiC ™ e entender o comportamento dos servo drives em diferentes condições, um estudo de simulação foi feito e comparado com os resultados dos testes experimentais.
A temperatura de junção dos dispositivos em um sistema real é muito difícil de medir, onde normalmente a temperatura da caixa é detectada. Para ter uma estimativa mais precisa da temperatura de uma junção, a simulação é recomendada.
Para finalmente confirmar o desempenho da solução discreta CoolSiC™ MOSFET proposta em comparação com a solução de alta velocidade IGBT solução, um modelo de simulação baseado em um Trifásico A topologia B6 foi desenvolvida para estimar o desempenho da junção Tj e as perdas correspondentes do inversor.
Os resultados na Figura 3 mostram que mesmo a 5 kV / μs, os MOSFETs CoolSiC ™ fortemente desacelerados mostram perda até 60% menor e aumento de temperatura de junção (Tj) 38% menor em comparação com o IGBT de alta velocidade. Isso se deve ao fato de que os diodos do corpo não têm (ou têm muito baixa) carga de recuperação reversa (Qrr) e que os MOSFETs CoolSiC ™ não têm corrente de cauda, conforme mostrado nas Figuras 1 e 2.
Figura 3: Comparação térmica e de perda de CoolSiC ™ MOSFET vs IGBT de alta velocidade 3 para um sistema de 6.5 kW a 5 kV / μs (dv / dt) de velocidade de comutação para velocidade constante e modo de aceleração / frenagem
Novos regulamentos [5] indicam que a velocidade de chaveamento de drives de alta velocidade pode ser aumentada até 8 kV / μs com freqüência de chaveamento de 16 kHz. Devido ao overshoot muito menor dos MOSFETs CoolSiC ™ em comparação com os IGBTs, é possível executar o CoolSiC ™ em certos casos ainda mais alto. As aplicações de servo-drives normalmente não fazem uso de cabos longos, o que também permite uma comutação mais rápida.
Quando um CoolSiC ™ MOSFET é acionado com 8 kV / μs (em vez de 5 kV / μs), perdas até 64% menores e aumento de temperatura de até 47% menor do Tj são possíveis em comparação com uma alta velocidade 3 IGBT, que é mostrado na Figura 4.
Figura 4: Comparação térmica e de perda do CoolSiC ™ MOSFET vs 3 IGBT de alta velocidade para sistema de 6.5 kW a 8 kV / μs (dv / dt) de velocidade de comutação para velocidade constante e modo de aceleração / frenagem.
Conclusão
Os resultados do teste e a validação da simulação confirmaram que o uso de CoolSiC ™ MOSFETs em servo drives leva a uma redução de perda de 64% e aumento de temperatura 47% menor em velocidades de chaveamento baixas (5-8 kV / μs).
Figura 5: exemplo de seleção RDS (ligado) para vários requisitos de destino de uma solução de servo-drive e configuração de teste do motor com condição de teste
Usando um MOSFET CoolSiC ™ de 60 mΩ para substituir o IGBT de 40 A em uma aplicação de servo-drive, mantendo o dissipador de calor e os requisitos de dv / dt, o total Semicondutores a perda cai quase pela metade em temperaturas máximas de junção semelhantes.
A redução de perda CoolSiC fornece um novo grau de flexibilidade para melhorias do sistema:
- Compensação entre a corrente de saída, Tj, esforços de resfriamento e seleção RDS (on)
- O baixo ΔTj dos MOSFETs CoolSiC ™ permite o resfriamento passivo
Referências:
[1] Dra. Fanny Björk, Dr. Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, Áustria. CoolSiC™ SiC MOSFETs: uma solução para topologias de ponte em Trifásico conversão de energia 2019
[2] Sahan Benjamin, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG, Alemanha. Aumentando a densidade de potência e a eficiência de drives de velocidade variável com 1200V SiC T-MOSFET. PCIM Europe 2017, 16-18 de maio de 2017, Nuremberg, Alemanha
[3] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang, Comparisons of SiC MOSFET e Si IGBT Based Motor Drive Systems 2007
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. SiC MOSFETs para futuras aplicações de acionamento motorizado 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa “Melhorar a eficiência em inversores CA: Novo Semicondutores soluções e seus desafios”, EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ Evaluation- boards / eval-m5-imz120r-sic /
Este artigo apareceu originalmente na revista Power Systems da Bodo.