Đối với các ứng dụng như bộ truyền động servo, kích thước và trọng lượng là rất quan trọng, tuy nhiên khả năng làm mát còn hạn chế. Vì lý do này, các MOSFET CoolSiC™ rời rạc là giải pháp lý tưởng để đáp ứng các yêu cầu này và cải thiện hiệu suất. Giảm tổn thất cho phép thực hiện thiết kế không cần bảo trì quạt. Ngoài ra, động cơ và bộ truyền động có thể được tích hợp, do đó giảm kích thước tủ điều khiển và đơn giản hóa hệ thống cáp.
CoolSiC ™ MOSFE trong ổ đĩa servo
Một trong những ứng dụng bị CoolSiC ™ tác động mosfet hiệu suất là các hệ thống truyền động servo, thường được đặc trưng bởi các bộ biến tần nhỏ gọn, hiệu quả, chẳng hạn như các bộ biến tần được sử dụng trong robot công nghiệp và tự động hóa. Giảm tổn thất dẫn điện và chuyển mạch có thể đạt được trong tất cả các chế độ hoạt động bao gồm gia tốc, tốc độ không đổi và chế độ ngắt.
Sử dụng CoolSiC ™ mosfet trong ổ đĩa servo cung cấp các lợi ích sau:
- Gia tốc cao và mô-men xoắn phanh, là các thông số chính của hệ dẫn động servo
- Độ tin cậy cao, bảo trì thấp do giải pháp truyền động không quạt
CoolSiC ™ MOSFETs trong ổ đĩa servo cũng cho phép tích hợp động cơ và ổ đĩa, có nghĩa là:
- Chỉ có một cáp duy nhất từ tủ điều khiển, giúp giảm chi phí bằng cách đơn giản hóa kết nối và tăng độ tin cậy của hệ thống do ít cáp hơn / cáp ít phức tạp hơn
- Không cần tủ biến tần điều khiển (hoặc chỉ một tủ nhỏ hơn)
Các ứng dụng dẫn động servo thường hoạt động ≥90% trong một khoảng thời gian tốc độ không đổi với mô-men xoắn thấp, tức là dòng điện thấp. Ở chế độ tăng tốc và ngắt, biến tần thường hoạt động ở dải dòng điện cao hơn nhiều. Ở đây, tổn thất động có thể giảm tới 50% so với Si IGBT, ngay cả ở tốc độ chuyển mạch thấp (5 kV / μs).
1200 V Si rời IGBT so với SiC mosfet
Đối với Si hiện có IGBT các giải pháp, CoolSiC™ MOSFET đưa ra nhiều lý do để mang lại hiệu suất tốt nhất trong nhiều ứng dụng. Đối với suy hao dẫn truyền, MOSFET CoolSiC™ có đặc tính điện trở, giúp giảm suy hao dẫn truyền tới 80% so với IGBT ở phạm vi dòng điện thấp. Điều này làm giảm đáng kể tổn thất toàn bộ hệ thống, vì bộ điều khiển servo hoạt động >90% thời gian ở mức dòng điện tương đối thấp. MOSFET 1200 V CoolSiC™ trong bộ chuyển đổi điện đạt được tổn hao động thấp hơn nhiều so với Si IGBTs.
Điều này là do cấu trúc đơn cực của một mosfet, nơi không có hạt mang điện thiểu số nào tham gia trong quá trình chuyển mạch. Suy hao khi chuyển mạch của MOSFET CoolSiC™ không tăng theo nhiệt độ, đây là điều xảy ra với IGBT.
Chuyển đổi dạng sóng
Hơn nữa, CoolSiC™ mosfet không cần đi-ốt đồng hành; nó sử dụng một đi-ốt bên trong cơ thể hoạt động như một đi-ốt quay tự do. Sử dụng một mosfet đi-ốt bên trong thân dẫn đến giảm đáng kể Qrr, so với đi-ốt tự do đồng gói silicon. Người ta đã chứng minh rằng việc sử dụng MOSFET CoolSiC™ thay vì IGBT Si có thể giảm 63% kích thước tản nhiệt [2] và giảm trọng lượng tới 65% [3].
Hình 1: Hành vi bật tắt của Si IGBT so với CoolSiC™ mosfet ở mức 5 kV/μs
Đối với các ứng dụng như động cơ servo và cánh tay robot công nghiệp, nơi khả năng làm mát bị hạn chế và quan trọng là hiệu quả, việc sử dụng CoolSiC ™ MOSFET có những lợi thế rất lớn, đặc biệt nếu kích thước, trọng lượng và thiết kế nhỏ gọn là ưu tiên chính của nhà thiết kế hệ thống.
Dây cáp động cơ dài gây ra điện áp cực đại cao ở động cơ, gây căng thẳng cho hệ thống cách ly động cơ và vòng bi động cơ. Để bảo vệ biến tần, các nhà sản xuất thường duy trì tốc độ chuyển đổi dưới 5 kV/μs. Nếu một CoolSiC™ mosfet được dẫn động với dv/dt thấp thì tổn thất chuyển mạch của nó sẽ tăng lên. Tuy nhiên, CoolSiC™ MOSFE vẫn có tổn thất chuyển mạch thấp hơn hơn 50% so với IGBT tốc độ cao ở mức 5 kV/μs.
Hình 2: Hành vi chuyển mạch tắt IGBT so với MOSFET CoolSiC™ ở 5 kV/μs7
Ngoài ra, CoolSiC ™ MOSFETs có tổn hao chuyển mạch không phụ thuộc vào nhiệt độ và nhỏ hơn Vôn vượt quá, do dòng điện giảm mượt mà hơn. IGBT chuyển đổi Vôn có độ vọt lố cao hơn và tốc độ chuyển đổi của nó chậm lại đáng kể ở nhiệt độ cao hơn (xem Hình 2). MOSFET CoolSiC™ có thể chuyển đổi với tốc độ vượt quá 60 kV/μs và có một cách để giải phóng tiềm năng giảm tổn thất. Nó có thể được thực hiện bằng cách triển khai bộ lọc dv/dt trên đầu ra biến tần. Bằng cách này, các Semiconductor có thể chuyển đổi ở tốc độ tối đa và bộ lọc sẽ ngăn không cho cuộn dây động cơ bị căng ở điện áp dv / dt và điện áp đỉnh cao. Điều này đã được thực hiện trong các ổ đĩa tốc độ cao. Trong các nghiên cứu khác nhau, bộ lọc dv / dt đã được trình bày với một giải pháp bộ lọc cải tiến có thể đạt được bằng cách kết nối bộ lọc dv / dt với điện thế giữa của liên kết DC. Sử dụng động cơ mới với hệ thống cách điện tăng cường cùng với bộ lọc dv / dt giảm thiểu là cách tận dụng toàn bộ tiềm năng của bộ chuyển mạch SiC. [5]
Mô phỏng và xác thực thử nghiệm
Để xem hiệu suất của các thiết bị CoolSiC ™ và hiểu hoạt động của bộ truyền động servo ở các điều kiện khác nhau, một nghiên cứu mô phỏng đã được thực hiện và so sánh với kết quả kiểm tra thử nghiệm.
Nhiệt độ tiếp giáp của các thiết bị trong một hệ thống thực là rất khó đo lường, trong đó thông thường nhiệt độ trường hợp được phát hiện. Để có một ước tính chính xác hơn về nhiệt độ đường giao nhau, nên mô phỏng.
Để cuối cùng xác nhận hiệu suất của giải pháp CoolSiC™ MOSFET rời được đề xuất so với giải pháp tốc độ cao IGBT giải pháp, một mô hình mô phỏng dựa trên một Ba giai đoạn Cấu trúc liên kết B6 đã được phát triển để ước tính hiệu suất Tj của mối nối và tổn thất tương ứng của biến tần.
Kết quả trong Hình 3 cho thấy ngay cả ở 5 kV / μs, MOSFET CoolSiC ™ được giảm tốc mạnh cho thấy tổn thất thấp hơn tới 60% và nhiệt độ tăng nhiệt độ tiếp giáp (Tj) thấp hơn 38% so với IGBT tốc độ cao. Điều này là do điốt cơ thể không có (hoặc rất thấp) điện tích phục hồi ngược (Qrr) và CoolSiC ™ MOSFETs không có dòng điện đuôi, như thể hiện trong Hình 1 và Hình 2.
Hình 3: So sánh nhiệt và tổn thất của CoolSiC ™ MOSFET so với 3 IGBT tốc độ cao cho hệ thống 6.5 kW ở tốc độ chuyển đổi 5 kV / μs (dv / dt) cho tốc độ không đổi và chế độ tăng tốc / phanh
Các quy định mới [5] chỉ ra rằng tốc độ chuyển mạch của các ổ đĩa tốc độ cao có thể được tăng lên đến 8 kV / μs với tần số chuyển mạch 16 kHz. Do độ vọt lố của CoolSiC ™ MOSFET so với IGBT, có thể chạy CoolSiC ™ trong một số trường hợp thậm chí còn cao hơn. Các ứng dụng ổ đĩa servo thường không sử dụng cáp dài, điều này cũng cho phép chuyển đổi nhanh hơn.
Khi điều khiển CoolSiC ™ MOSFET với 8 kV / μs (thay vì 5 kV / μs), tổn thất thấp hơn tới 64% và tăng nhiệt độ thấp hơn tới 47% của Tj, có thể so với tốc độ cao 3 IGBT, được hiển thị trong Hình 4.
Hình 4: So sánh nhiệt và tổn thất của CoolSiC ™ MOSFET so với 3 IGBT tốc độ cao cho hệ thống 6.5 kW ở tốc độ chuyển mạch 8 kV / μs (dv / dt) cho tốc độ không đổi và chế độ tăng tốc / phanh.
Kết luận
Kết quả thử nghiệm và xác nhận mô phỏng đã xác nhận rằng việc sử dụng CoolSiC ™ MOSFET trong các ổ đĩa servo dẫn đến giảm tổn thất 64% và tăng nhiệt độ thấp hơn 47% ở tốc độ chuyển mạch thấp (5-8 kV / μs).
Hình 5: Ví dụ lựa chọn RDS (bật) cho các yêu cầu mục tiêu khác nhau của giải pháp dẫn động servo và thiết lập kiểm tra động cơ với điều kiện thử nghiệm
Bằng cách sử dụng CoolSiC ™ MOSFET 60 mΩ để thay thế IGBT 40 A trong ứng dụng ổ đĩa servo, trong khi vẫn giữ yêu cầu tản nhiệt và dv / dt, tổng Semiconductor tổn thất giảm gần một nửa ở nhiệt độ tiếp giáp tối đa tương tự.
Giảm tổn thất CoolSiC cung cấp một mức độ linh hoạt mới cho các cải tiến hệ thống:
- Cân bằng giữa dòng điện đầu ra, Tj, nỗ lực làm mát và lựa chọn RDS (bật)
- ΔTj thấp từ CoolSiC ™ MOSFETs cho phép làm mát thụ động
Tài liệu tham khảo:
[1] Tiến sĩ Fanny Björk, Tiến sĩ Zhihui Yuan Infineon Technologies AG, Áo. CoolSiC™ SiC MOSFET: giải pháp cho cấu trúc liên kết cầu trong Ba giai đoạn chuyển đổi năng lượng 2019
[2] Sahan Benjamin, Brodt Anastasia Infineon Technologies AG, Đức. Tăng cường mật độ năng lượng và hiệu quả của bộ truyền động tốc độ thay đổi với 1200V SiC T-MOSFET. PCIM Châu Âu 2017, ngày 16 - 18 tháng 2017 năm XNUMX, Nuremberg, Đức
[3] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang, So sánh hệ thống truyền động động cơ dựa trên SiC MOSFET và Si IGBT 2007
[4] S. Tiwari, OM Midtgard, TM Undeland. SiC MOSFETs cho các ứng dụng truyền động động cơ trong tương lai 2016
[5] K. Vogel, A. Brodt, A. Rossa “Cải thiện hiệu quả trong Truyền động AC: Mới Semiconductor các giải pháp và thách thức của chúng”, EEMODS 2015
[6] Eval-M5-IMZ120R-SiC https://www.infineon.com/cms/de/product/ eval-boards / eval-m5-imz120r-sic /
Bài báo này ban đầu xuất hiện trên tạp chí Hệ thống điện của Bodo.