Servo sürücüler gibi uygulamalar için boyut ve ağırlık çok önemlidir ancak soğutma kapasitesi sınırlıdır. Bu nedenle ayrık CoolSiC™ MOSFET'ler bu gereksinimleri karşılamak ve performansı artırmak için ideal çözümdür. Azalan kayıplar, sıfır bakım gerektiren fansız tasarımın uygulanmasına olanak tanır. Ayrıca motor ve sürücü entegre edilebilir, böylece kontrol panosu boyutu küçültülebilir ve kablolama basitleştirilebilir.
CoolSiC™ MOSFET servo sürücülerde
CoolSiC™'den etkilenen uygulamalardan biri mosfet performans, tipik olarak endüstriyel robotlarda ve otomasyonda kullanılanlar gibi verimli, kompakt invertörlerle karakterize edilen servo sürücü sistemleridir. Hızlanma, sabit hız ve kesme modu da dahil olmak üzere tüm çalışma modlarında iletim ve anahtarlama kayıplarında azalma elde edilebilir.
CoolSiC™ kullanma mosfetler Servo sürücülerde aşağıdaki avantajlar sunulmaktadır:
- Önemli servo sürücü parametreleri olan yüksek hızlanma ve frenleme torku
- Fansız tahrik çözümü sayesinde yüksek güvenilirlik, düşük bakım
Servo sürücülerdeki CoolSiC™ MOSFET'ler ayrıca motor ve sürücünün entegrasyonunu sağlar; bu şu anlama gelir:
- Kontrol panosundan tek bir kablo çıkması, bağlantıyı basitleştirerek maliyetleri azaltır ve daha az kablo/daha az karmaşık kablolama sayesinde sistem güvenilirliğini artırır
- Kontrol invertör kabinine gerek yoktur (veya yalnızca daha küçük bir kabine)
Servo sürücü uygulamaları tipik olarak sabit hız periyodunda düşük torkla, yani düşük akımla ≥%90 oranında çalışır. Hızlanma ve kesme modunda sürücü normalde çok daha yüksek bir akım aralığında çalışır. Burada dinamik kayıp Si'ye kıyasla %50'ye kadar azaltılabilir IGBTdüşük anahtarlama hızında (5 kV/μs) bile.
1200 V ayrık Si IGBT SiC'ye karşı mosfet
Mevcut Si ile ilgili olarak IGBT CoolSiC™ MOSFET'ler, çeşitli uygulamalarda en iyi performansı sağlamak için birçok neden sunar. İletim kaybı için CoolSiC™ MOSFET'lerin dirençli davranışı vardır, bu da iletim kaybının %80'e varan oranda azalmasını sağlar. Igbt'ler Düşük akım aralığında. Servo sürücüler zamanın %90'ından fazlasını nispeten düşük bir akımda çalıştırdığından bu, toplam sistem kaybını büyük ölçüde azaltır. Güç dönüştürücülerdeki 1200 V CoolSiC™ MOSFET'ler, Si'ye kıyasla çok daha düşük dinamik kayıplara ulaşır IGBTs.
Bunun nedeni tek kutuplu yapıdan kaynaklanmaktadır. mosfetAnahtarlama işlemleri sırasında hiçbir azınlık yük taşıyıcısının dahil olmadığı durumlarda. CoolSiC™ MOSFET'lerin anahtarlama kayıpları, IGBT'lerde olduğu gibi sıcaklıkla artmaz.
Dalga formlarının değiştirilmesi
Ayrıca CoolSiC™ mosfet ortak paket diyota ihtiyaç duymaz; serbest diyot olarak çalışan bir dahili gövde diyotu kullanır. Bir kullanarak mosfet dahili gövde diyotu, silikon ortak paket serbest dönen diyotlarla karşılaştırıldığında Qrr'de büyük bir azalmaya yol açar. Si IGBT'ler yerine CoolSiC™ MOSFET'lerin kullanılmasının ısı emici boyutunu %63 [2] ve ağırlığını %65'e kadar [3] azaltabileceği kanıtlanmıştır.
Şekil 1: Si'nin açılma anahtarlama davranışı IGBT CoolSiC™'ye karşı mosfet 5 kV/μs'de
Soğutma kapasitesinin sınırlı olduğu ve verimliliğin önemli olduğu servo motorlar ve endüstriyel robotik kollar gibi uygulamalar için CoolSiC™ MOSFET'lerin kullanılması, özellikle boyut, ağırlık ve kompakt tasarımın sistem tasarımcısı için temel öncelikler olduğu durumlarda büyük avantajlara sahiptir.
Uzun motor kabloları motorda yüksek tepe gerilimlerine neden olur ve bu da motor izolasyon sistemini ve motor yataklarını zorlar. Sürücüyü korumak için üreticiler genellikle 5 kV/μs anahtarlama hızının altında kalır. CoolSiC™ ise mosfet düşük dv/dt ile sürülürse anahtarlama kayıpları artacaktır. Ancak CoolSiC™ MOSFET 50 kV/μs'deki yüksek hızlı IGBT'lere kıyasla hâlâ %5'den fazla daha düşük anahtarlama kayıplarına sahiptir.
Şekil 2: Kapatma anahtarlama davranışı IGBT 5 kV/μs7'de CoolSiC™ MOSFET'e kıyasla
Ayrıca CoolSiC™ MOSFET'ler sıcaklıktan bağımsız anahtarlama kayıplarına sahiptir ve daha küçük Voltaj Daha yumuşak akım düşüşü nedeniyle aşma. IGBT anahtarlama Voltaj daha yüksek bir aşmaya sahiptir ve daha yüksek sıcaklıklarda anahtarlama hızı önemli ölçüde yavaşlar (bkz. Şekil 2). CoolSiC™ MOSFET'ler 60 kV/μs'yi aşan bir hızla geçiş yapabilir ve kayıp azaltma potansiyelini ortaya çıkarmanın bir yolu vardır. Bu, invertör çıkışına bir dv/dt filtresi uygulanarak yapılabilir. Bu şekilde, Yarıiletken maksimum hızda geçiş yapabilir ve filtre, motor sargılarının yüksek dv/dt ve tepe gerilimlerinde zorlanmasını önleyecektir. Bu zaten yüksek hızlı sürücülerde uygulanmıştır. Çeşitli çalışmalarda dv/dt filtreleri, dv/dt filtresinin DC-bağlantısının orta potansiyeline bağlanmasıyla elde edilebilecek gelişmiş bir filtre çözümü ile sunulmuştur. Güçlendirilmiş yalıtım sistemlerine sahip yeni motorların ve en aza indirilmiş dv/dt filtrelerinin kullanılması, SiC anahtarlarının tüm potansiyelinden yararlanmanın yollarıdır. [5]
Simülasyon ve deneysel doğrulama
CoolSiC™ cihazlarının performansını görmek ve servo sürücülerin farklı koşullardaki davranışını anlamak için bir simülasyon çalışması yapıldı ve deneysel test sonuçlarıyla karşılaştırıldı.
Gerçek bir sistemdeki cihazların bağlantı sıcaklığının ölçülmesi çok zordur, normalde kasa sıcaklığı tespit edilir. Bağlantı sıcaklığının daha doğru bir tahminine sahip olmak için simülasyon önerilir.
Son olarak önerilen CoolSiC™ MOSFET ayrık çözümünün yüksek hızlı çözümle karşılaştırıldığında performansını doğrulamak için IGBT çözüme dayalı bir simülasyon modeli Üç faz B6 topolojisi, Tj kavşağı performansını ve eviricinin karşılık gelen kayıplarını tahmin etmek için geliştirilmiştir.
Şekil 3'teki sonuçlar, 5 kV/μs'de bile güçlü şekilde yavaşlatılmış CoolSiC™ MOSFET'lerin, yüksek hızlı IGBT ile karşılaştırıldığında %60'a kadar daha düşük kayıp ve bağlantı sıcaklığında (Tj) %38 daha düşük sıcaklık artışı gösterdiğini göstermektedir. Bunun nedeni, Şekil 1 ve 2'de gösterildiği gibi vücut diyotlarının ters geri kazanım yüküne (Qrr) sahip olmaması (veya çok düşük) ve CoolSiC™ MOSFET'lerin kuyruk akımına sahip olmamasıdır.
Şekil 3: Sabit hız ve hızlanma/frenleme modu için 3 kV/μs (dv/dt) anahtarlama hızında 6.5 kW'lık bir sistem için CoolSiC™ MOSFET ile yüksek hızlı 5 IGBT'nin termal ve kayıp karşılaştırması
Yeni düzenlemeler [5], yüksek hızlı sürücülerin anahtarlama hızının 8 kHz anahtarlama frekansıyla 16 kV/μs'ye kadar artırılabileceğini belirtmektedir. CoolSiC™ MOSFET'lerin IGBT'lere kıyasla çok daha düşük aşma değerleri nedeniyle, CoolSiC™'yi bazı durumlarda daha da yüksek çalıştırmak mümkündür. Servo sürücü uygulamaları normalde uzun kabloları kullanmaz, bu da daha hızlı anahtarlamaya olanak sağlar.
CoolSiC™ MOSFET 8 kV/μs (5 kV/μs yerine) ile çalıştırıldığında, yüksek hızlı 64 ile karşılaştırıldığında %47'e kadar daha düşük kayıplar ve Tj'de %3'ye kadar daha düşük sıcaklık artışı mümkündür. Şekil 4'te gösterilen IGBT.
Şekil 4: Sabit hız ve hızlanma/frenleme modu için 3 kV/μs (dv/dt) anahtarlama hızında 6.5 kW sistem için CoolSiC™ MOSFET ile yüksek hızlı 8 IGBT'nin termal ve kayıp karşılaştırması.
Sonuç
Test sonuçları ve simülasyon doğrulaması, servo sürücülerde CoolSiC™ MOSFET'lerin kullanılmasının, düşük anahtarlama hızlarında (64-47 kV/μs) %5 kayıp azalmasına ve %8 daha düşük sıcaklık artışına yol açtığını doğruladı.
Şekil 5: Servo sürücü çözümünün çeşitli hedef gereksinimleri ve test koşuluyla motor test kurulumu için RDS(açık) seçim örneği
Bir servo sürücü uygulamasında 60 A IGBT'yi değiştirmek için 40 mΩ CoolSiC™ MOSFET kullanarak, soğutucuyu ve dv/dt gereksinimini korurken toplam Yarıiletken Benzer maksimum bağlantı sıcaklıklarında kayıp neredeyse yarı yarıya azalır.
CoolSiC kaybının azaltılması, sistem iyileştirmeleri için yeni bir esneklik derecesi sağlar:
- Çıkış akımı, Tj, soğutma çabaları ve RDS(açık) seçimi arasındaki denge
- CoolSiC™ MOSFET'lerin düşük ΔTj'si pasif soğutmayı mümkün kılar
Referanslar:
[1] Dr. Fanny Björk, Dr. Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, Avusturya. CoolSiC™ SiC MOSFET'ler: köprü topolojileri için bir çözüm Üç faz güç dönüşümü 2019
[2] Sahan Benjamin, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG, Almanya. 1200V SiC T-MOSFET ile değişken hızlı sürücülerin güç yoğunluğunu ve verimliliğini artırma. PCIM Avrupa 2017, 16 – 18 Mayıs 2017, Nürnberg, Almanya
[3] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang, SiC MOSFET ve Si IGBT Tabanlı Motor Sürücü Sistemlerinin Karşılaştırmaları 2007
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. Geleceğin Motor Sürücü Uygulamaları için SiC MOSFET'ler 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa “AC Sürücülerdeki verimliliği artırın: Yeni Yarıiletken çözümler ve bunların zorlukları”, EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ Assessment- Boards/eval-m5-imz120r-sic/
Bu makale ilk olarak Bodo'nun Power Systems dergisinde yayınlanmıştır.