สำหรับการใช้งานเช่นเซอร์โวไดรฟ์ ขนาดและน้ำหนักมีความสำคัญมาก อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการทำความเย็นนั้นมีจำกัด ด้วยเหตุนี้ CoolSiC™ MOSFET แบบแยกจึงเป็นโซลูชั่นที่ดีเยี่ยมสำหรับการตอบสนองความต้องการเหล่านี้และปรับปรุงประสิทธิภาพ การสูญเสียที่ลดลงทำให้สามารถใช้งานการออกแบบแบบไร้พัดลมโดยไม่ต้องบำรุงรักษา นอกจากนี้ มอเตอร์และไดรฟ์สามารถรวมเข้าด้วยกันได้ ดังนั้นจึงลดขนาดตู้ควบคุม และทำให้การเดินสายเคเบิลง่ายขึ้น
CoolSiC ™ MOSFET ในเซอร์โวไดรฟ์
หนึ่งในแอปพลิเคชันที่ได้รับผลกระทบจาก CoolSiC ™ MOSFET ประสิทธิภาพคือระบบเซอร์โวไดรฟ์ซึ่งโดยทั่วไปจะมีลักษณะเป็นอินเวอร์เตอร์ขนาดกะทัดรัดที่มีประสิทธิภาพเช่นที่ใช้ในหุ่นยนต์อุตสาหกรรมและระบบอัตโนมัติ การลดการนำและการเปลี่ยนการสูญเสียสามารถรับได้ในทุกโหมดการทำงานรวมถึงการเร่งความเร็วความเร็วคงที่และโหมดทำลาย
การใช้ CoolSiC ™ มอสเฟต ในเซอร์โวไดรฟ์มีประโยชน์ดังต่อไปนี้:
- การเร่งความเร็วสูงและแรงบิดในการเบรกซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญของเซอร์โวไดรฟ์
- ความน่าเชื่อถือสูงการบำรุงรักษาต่ำเนื่องจากโซลูชันไดรฟ์แบบไม่มีพัดลม
CoolSiC ™ MOSFET ในเซอร์โวไดรฟ์ยังเปิดใช้งานการรวมมอเตอร์และไดรฟ์ซึ่งหมายความว่า:
- มีสายเคเบิลเพียงเส้นเดียวจากตู้ควบคุมซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายโดยการทำให้การเชื่อมต่อง่ายขึ้นและเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบเนื่องจากสายเคเบิลน้อยลง / การวางสายที่ซับซ้อนน้อยลง
- ไม่จำเป็นต้องใช้ตู้อินเวอร์เตอร์ควบคุม (หรือตู้ที่เล็กกว่าเท่านั้น)
แอปพลิเคชันเซอร์โวไดรฟ์โดยทั่วไปจะทำงาน≥90% ในช่วงความเร็วคงที่พร้อมกับแรงบิดต่ำเช่นกระแสไฟต่ำ ในโหมดเร่งความเร็วและทำลายโดยปกติไดรฟ์จะทำงานในช่วงกระแสที่สูงกว่ามาก ที่นี่การสูญเสียแบบไดนามิกสามารถลดลงได้ถึง 50% เมื่อเทียบกับ Si IGBTแม้จะใช้ความเร็วในการเปลี่ยนต่ำ (5 kV / μs)
1200 V แยก Si IGBT เทียบกับ SiC MOSFET
ด้วยความเคารพศรีที่มีอยู่ IGBT โซลูชัน CoolSiC™ MOSFET มีเหตุผลหลายประการในการมอบประสิทธิภาพที่ดีที่สุดในการใช้งานที่หลากหลาย สำหรับการสูญเสียการนำไฟฟ้า CoolSiC™ MOSFETs มีพฤติกรรมต้านทาน ซึ่งส่งผลให้การสูญเสียการนำไฟฟ้าลดลงสูงสุดถึง 80% เมื่อเทียบกับ IGBT ที่ช่วงกระแสไฟต่ำ สิ่งนี้จะช่วยลดการสูญเสียของระบบทั้งหมดได้อย่างมาก เนื่องจากเซอร์โวไดรฟ์ทำงาน >90% ของเวลาที่กระแสไฟฟ้าค่อนข้างต่ำ MOSFET CoolSiC™ 1200 V ในตัวแปลงกำลังมีการสูญเสียไดนามิกที่ต่ำกว่ามากเมื่อเปรียบเทียบกับ Si IGBTs.
นี่เป็นเพราะโครงสร้างยูนิโพลาร์ของ MOSFETซึ่งไม่มีผู้ให้บริการส่วนน้อยเข้ามาเกี่ยวข้องในระหว่างกระบวนการเปลี่ยน การสูญเสียการสลับของ CoolSiC™ MOSFETs จะไม่เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นกับ IGBT
การสลับรูปคลื่น
นอกจากนี้ CoolSiC™ MOSFET ไม่ต้องการไดโอด co-pack มันใช้ไดโอดภายในร่างกายที่ทำงานเป็นไดโอดอิสระ ใช้ก MOSFET ไดโอดภายในร่างกายนำไปสู่การลดลงอย่างมากของ Qrr เมื่อเทียบกับไดโอดแบบอิสระแบบ co-pack แบบซิลิกอน ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าการใช้ CoolSiC™ MOSFET แทน Si IGBT สามารถลดขนาดฮีตซิงค์ลงได้ 63% [2] และน้ำหนักได้ถึง 65% [3]
รูปที่ 1: ลักษณะการเปิดสวิตช์ของ Si IGBT เทียบกับ CoolSiC™ MOSFET ที่ 5 กิโลโวลต์/μs
สำหรับการใช้งานเช่นเซอร์โวมอเตอร์และแขนหุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่ความสามารถในการระบายความร้อนมี จำกัด และประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญการใช้ CoolSiC ™ MOSFET มีข้อดีอย่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากขนาดน้ำหนักและการออกแบบที่กะทัดรัดเป็นสิ่งสำคัญสำหรับผู้ออกแบบระบบ
สายมอเตอร์ที่ยาวทำให้เกิดแรงดันไฟสูงสุดที่มอเตอร์ ซึ่งทำให้ระบบแยกมอเตอร์และตลับลูกปืนมอเตอร์เครียด เพื่อปกป้องไดรฟ์ ผู้ผลิตมักจะใช้ความเร็วสวิตชิ่งต่ำกว่า 5 kV/μs หากเป็น CoolSiC™ MOSFET ถูกขับเคลื่อนด้วย dv/dt ต่ำ การสูญเสียการสลับจะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม CoolSiC™ MOSFET ยังคงมีการสูญเสียการสลับที่ต่ำกว่ามากกว่า 50% เมื่อเทียบกับ IGBT ความเร็วสูงที่ 5 kV/μs
รูปที่ 2: พฤติกรรมการปิดสวิตช์ IGBT เทียบกับ CoolSiC™ MOSFET ที่ 5 kV/μs7
นอกจากนี้ CoolSiC ™ MOSFET ยังมีการสูญเสียการเปลี่ยนที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิและมีขนาดเล็กลง แรงดันไฟฟ้า โอเวอร์ชูตเนื่องจากการลดลงของกระแสที่ราบรื่นขึ้น IGBT การเปลี่ยน แรงดันไฟฟ้า มีโอเวอร์ชูตสูงกว่า และความเร็วในการเปลี่ยนจะช้าลงอย่างมากที่อุณหภูมิสูงขึ้น (ดูรูปที่ 2) CoolSiC™ MOSFET สามารถสลับด้วยความเร็วเกิน 60 kV/μs และมีวิธีปลดปล่อยศักยภาพของการลดการสูญเสีย สามารถทำได้โดยใช้ตัวกรอง dv/dt บนเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ ด้วยวิธีนี้ สารกึ่งตัวนำ สามารถเปลี่ยนด้วยความเร็วสูงสุดและตัวกรองจะป้องกันไม่ให้ขดลวดของมอเตอร์เกิดความเครียดที่ dv / dt และแรงดันไฟฟ้าสูงสุด สิ่งนี้ถูกนำไปใช้แล้วในไดรฟ์ความเร็วสูง ในการศึกษาต่างๆตัวกรอง dv / dt ได้ถูกนำเสนอด้วยโซลูชันตัวกรองที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งสามารถทำได้โดยการเชื่อมต่อตัวกรอง dv / dt กับศักยภาพระดับกลางของ DC-link การใช้มอเตอร์ใหม่ที่มีระบบฉนวนเสริมร่วมกับตัวกรอง dv / dt ที่ย่อขนาดเป็นวิธีการใช้สวิตช์ SiC ที่มีศักยภาพอย่างเต็มที่ [5]
การจำลองและการตรวจสอบการทดลอง
เพื่อดูประสิทธิภาพของอุปกรณ์ CoolSiC ™และทำความเข้าใจพฤติกรรมของเซอร์โวไดรฟ์ในสภาวะต่างๆจึงได้ทำการศึกษาแบบจำลองและเปรียบเทียบกับผลการทดสอบทดลอง
อุณหภูมิทางแยกของอุปกรณ์ในระบบจริงนั้นวัดได้ยากมากซึ่งโดยปกติจะตรวจพบอุณหภูมิของเคส เพื่อให้มีการประมาณอุณหภูมิทางแยกที่แม่นยำยิ่งขึ้นขอแนะนำให้ใช้การจำลอง
เพื่อยืนยันประสิทธิภาพของโซลูชันแยก CoolSiC™ MOSFET ที่นำเสนอเมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วสูง IGBT โซลูชันซึ่งเป็นแบบจำลองสถานการณ์ตาม สามเฟส โทโพโลยี B6 ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อประเมินประสิทธิภาพของทางแยก Tj และการสูญเสียที่สอดคล้องกันของอินเวอร์เตอร์
ผลลัพธ์ในรูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่าแม้ที่ 5 kV / μsมอสเฟต CoolSiC ™ที่ลดลงอย่างมากจะแสดงการสูญเสียที่ลดลงถึง 60% และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 38% ของอุณหภูมิทางแยก (Tj) เมื่อเทียบกับ IGBT ความเร็วสูง เนื่องจากไดโอดของร่างกายไม่มีประจุการกู้คืนย้อนกลับ (Qrr) (หรือต่ำมาก) และ MOSFET ของ CoolSiC ™ไม่มีกระแสไฟฟ้าตามที่แสดงในรูปที่ 1 และ 2
รูปที่ 3: การเปรียบเทียบความร้อนและการสูญเสียของ CoolSiC ™ MOSFET เทียบกับ 3 IGBT ความเร็วสูงสำหรับระบบ 6.5 กิโลวัตต์ที่ความเร็วในการเปลี่ยน 5 kV / μs (dv / dt) สำหรับความเร็วคงที่และโหมดเร่งความเร็ว / เบรก
ข้อบังคับใหม่ [5] ระบุว่าความเร็วในการเปลี่ยนไดรฟ์ความเร็วสูงสามารถเพิ่มได้ถึง 8 kV / μsด้วยความถี่ในการเปลี่ยน 16 kHz เนื่องจาก CoolSiC ™ MOSFETs มีขนาดใหญ่กว่ามากเมื่อเทียบกับ IGBTs จึงเป็นไปได้ที่จะเรียกใช้ CoolSiC ™ในบางกรณีที่สูงกว่า โดยปกติแล้วแอปพลิเคชันเซอร์โวไดรฟ์จะไม่ใช้สายเคเบิลยาวซึ่งจะช่วยให้เปลี่ยนได้เร็วขึ้น
เมื่อ MOSFET CoolSiC ™ขับเคลื่อนด้วย 8 kV / μs (แทนที่จะเป็น 5 kV / μs) การสูญเสียที่ลดลงสูงสุด 64% และ Tj ที่อุณหภูมิสูงขึ้น 47% เป็นไปได้เมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วสูง 3 IGBT ซึ่งแสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4: การเปรียบเทียบความร้อนและการสูญเสียของ CoolSiC ™ MOSFET เทียบกับความเร็วสูง 3 IGBT สำหรับระบบ 6.5 กิโลวัตต์ที่ความเร็วในการเปลี่ยน 8 kV / μs (dv / dt) สำหรับความเร็วคงที่และโหมดเร่งความเร็ว / เบรก
สรุป
ผลการทดสอบและการจำลองการตรวจสอบยืนยันว่าการใช้ CoolSiC ™ MOSFET ในเซอร์โวไดรฟ์ช่วยลดการสูญเสีย 64% และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 47% ที่ความเร็วในการเปลี่ยนต่ำ (5-8 kV / μs)
รูปที่ 5: ตัวอย่างการเลือก RDS (เปิด) สำหรับข้อกำหนดเป้าหมายต่างๆของโซลูชันเซอร์โวไดรฟ์และการตั้งค่าการทดสอบมอเตอร์พร้อมเงื่อนไขการทดสอบ
ด้วยการใช้ CoolSiC ™ MOSFET 60 mΩเพื่อแทนที่ 40 A IGBT ในแอปพลิเคชันเซอร์โวไดรฟ์ในขณะที่ยังคงรักษาความต้องการของตัวระบายความร้อนและ dv / dt สารกึ่งตัวนำ การสูญเสียลดลงเกือบครึ่งหนึ่งที่อุณหภูมิทางแยกสูงสุดที่ใกล้เคียงกัน
การลดการสูญเสีย CoolSiC มอบความยืดหยุ่นในระดับใหม่สำหรับการปรับปรุงระบบ:
- การแลกเปลี่ยนระหว่างกระแสเอาต์พุต Tj ความพยายามในการระบายความร้อนและการเลือก RDS (เปิด)
- ΔTjที่ต่ำจาก MOSFET ของ CoolSiC ™ช่วยให้สามารถระบายความร้อนแบบพาสซีฟได้
อ้างอิง:
[1] ดร. Fanny Björk, Dr. Zhihui Yuan Infineon Technologies AG ประเทศออสเตรีย CoolSiC™ SiC MOSFETs: โซลูชันสำหรับโทโพโลยีบริดจ์ใน สามเฟส การแปลงไฟ 2019
[2] Sahan Benjamin, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG ประเทศเยอรมนี เพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพของไดรฟ์ความเร็วตัวแปรด้วย 1200V SiC T-MOSFET PCIM Europe 2017, 16 - 18 พฤษภาคม 2017, Nuremberg, Germany
[3] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang การเปรียบเทียบ SiC MOSFET และ Si IGBT Based Motor Drive Systems 2007
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. SiC MOSFET สำหรับการใช้งานมอเตอร์ไดรฟ์ในอนาคต 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa “ปรับปรุงประสิทธิภาพใน AC-Drives: ใหม่ สารกึ่งตัวนำ โซลูชันและความท้าทายของพวกเขา”, EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ evaluation- บอร์ด / eval-m5-imz120r-sic /
บทความนี้เคยปรากฏในนิตยสาร Power Systems ของ Bodo