0
19:45:11 - 15.08.2018
Валюта: Р (RUB)
  • Р (RUB)
  • $ (USD)
  • € (EUR)
22:05:32 - 05.07.2018

CoolSiC M0SFET в приводах

Как решить проблему dv/dt

Ограничение крутизны фронтов выходного напряжения инвертора является ключевым требованием, предъявляемым к приводам электродвигателей и необходимым для предотвращения преждевременного старения изоляции двигателя. При использовании IGBT наиболее простым решением является увеличение резистора затвора для снижения крутизны фронтов напряжения до приемлемого уровня.

Однако в последнее время карбидокремниевые ключи (SiC) MOSFET все чаще используются в приводах вместо IGBT. Чтобы понять, насколько эта технология пригодна для производства транзисторов Trench-MOSFET (T-MOSFET), были проведены лабораторные тесты инвертора. Их целью является определение применимости и преимуществ силовых SiC-ключей в приводных применениях [1].

Благодаря своим свойствам SiC T-MOSFET способны переключаться гораздо быстрее, чем IGBT- приборы. Ключи SiC T-MOSFET способны легко достичь скорости коммутации 50 кВ/мкс, что создает заметные проблемы для стандартных двигателей, если не принимать специальные меры. Особенно эта проблема усугубляется при подключении мотора длинными кабелями. Возникающие крутые фронты и большие всплески напряжения на выводах приводят к ранней деградации изоляционных материалов и повышению тока через подшипники двигателя. Указанные компоненты электродвигателя подвергаются сильному стрессу, связанному с очень малым временем нарастания входного напряжения.

Чтобы исключить риск повреждения стандартных двигателей, скорость коммутации SiC T-MOSFET должна быть ограничена. Благодаря отличной управляемости этих приборов требуемого максимального значения dv/dt (5 кВ/мкс) легко можно достичь за счет увеличения резистора затвора. Известный способ выбора его номинала, обеспечивающего нужную скорость коммутации SiC T-MOSFET, состоит в том, что момент включения определяется при 10% от номинального тока моду-ля, а максимальная температура кристалла составляет + 150 °С. Скорость выключения транзистора растет при увеличении тока нагрузки, следователь¬но, величина определяется при номинальном токе. Лабораторные тесты инвертора показали, что для обеспечения скорости коммутации 5 кВ/мкс следует использовать резисторы Rg_on = 15 Ом и Rg_off= 30 Ом. На рис. 1 показано, как крутизна фронта напряжения (dv/dt) SiC T-MOSFET зависит от резистора затвора. Как можно видеть из рассмотрения рисунка, характеристики переключения контролируются в широком диапазоне при включении и выключении. Хорошая управляемость SiC-MOSFET является его важным преимуществом перед IGBT.

1A.PNG

Особенности CoolSiC T-MOSFET

Компания Infineon в 2016 г. представила новые транзисторы 1200-В CoolSiC MOSFET, которые отличаются хорошими динамическими характеристиками, низким удельным значением RDS в сочетании с высоконадежным оксидом затвора. В сравнении с другими SiC-транзисторами CoolSiC T-MOSFET работают при наиболее распространенных уровнях напряжения на затворе +15 В/-5 В, хорошо известных по Si-IGBT. Таким образом, отпадает необходимость в разработке нового или использовании специального драйвера затвора для управления CoolSiC MOSFET.

Кроме того, для полумостовых топологий в качестве оппозитного (FWD) диода может быть использован интегральный диод CoolSiC MOSFET. Этот диод отличается очень низкими динамическими потерями. Типовое значение «мертвого» времени для SiC- трапзисторов составляет несколько сотен наносекунд, в результате можно допустить более высокое падение напряжения. По электрическим характеристикам SiC T-MOSFET имеет еще некоторые преимущества перед Si-IGBT. Например, благодаря униполярной структуре MOSFET неосновные носители не участвуют в процессе коммутации, благодаря чему существенно снижаются динамические потери. Кроме того, отсутствие ступеньки порогового напряжения транзистора в сочетании с низким сопротивлением открытого канала позволяет уменьшить потери проводимости, особенно при низких нагрузках.

Сравнение потерь мощности SiC и IGBT

Сравнение потерь мощности последних технологий IGBT и SiC T-MOSFET показано на рис. 2. Модуль IGBT FS100R12KT4 сравнивался с инженерным образцом нового SiC-модуля FF11MR12W1M1_ В11 с помощью «двухимпульсного» теста. Оба транзистора коммутируются со средней скоростью, не превышающей 5 кВ/мкс. Диаграмма потерь наглядно демонстрирует преимущества SiC- приборов.

2A.PNG

Даже при одинаковой скорости переключения dv/dt = 5 кВ/мкс «за-медленный» CoolSiC MOSFET имеет более чем на 50% меньшие потери коммутации по сравнению с IGBT. Это объясняется тем, что у MOSFET отсутствует хвостовой ток, и диод имеет очень низкий ток обратного восстановления. Потери проводимости также снизились примерно на 40% благодаря меньшему сопротивлению открытого канала (RDS,on) по сравнению с напряжением насыщения Si-IGBT и FWD, что дало общее снижение потерь мощности инвертора на 53% на частоте ШИМ 4 кГц и 58% на 8 кГц.

Благодаря этому можно значительно уменьшить размер радиатора и, следовательно, уменьшить общий вес и габариты всего преобразователя.

3A.PNG

На рис. 3 показаны соответствующие инверторы и радиаторы для двух концепций силовых модулей, в которых использован SiC T-MOSFET (справа) и типовой IGBT с таким же номинальным током (слева). Эти устройства оценивались в ходе лабораторных тестов инверторов, работающих в условиях, близких к реальным. Даже с меньшим радиатором инвертор мощностью 22 кВт на основе SiC демонстрирует более низкую максимальную температуру радиатора на частоте переключения 8 кГц, что показано на рис. 4.

4A.PNG

Экономия энергии и снижение расходов в типовых приложениях

В ходе исследований SiC-инвертора мощностью 22 кВт, заменяющего эквивалентный преобразователь на базе IGBT, был проведен расчет энергосбережения для случая управления насосом. При условии работы с частичной нагрузкой, соответствующей 50% скорости и 25% производящего момент тока в соответствии с EN 50598-2, расчетная потенциальная экономия энергии достигает 78 Вт, а при номинальной скорости и крутящем моменте экономия составит 195 Вт.

Если предположить, что профиль нагрузки разделяется на 50% при уменьшенной скорости и 50% при номинальной скорости в течение рабочего времени, получим экономию 1196 кВт*ч в год. Таким образом, при цене энергии 0,10 €/кВт-ч максимальная экономия затрат потребителя может достигать 120 €/год для типового промышленного инвертора. Кроме того, при этом соответственно снижаются затраты на кондиционирование.

Благодаря линейной характеристике напряжения включенного состояния и низкому значению коммутационных потерь у CoolSiC MOSFET, существенно повышается экономия затрат, особенно в режиме частичной нагрузки, который является наиболее распространенным для большинства приводов с переменной скоростью вращения. ■

Даже при одинаковой скорости переключения dv/dt = 5 кВ/мкс «замедленный» CoolSiC MOSFET имеет более чем на 50% меньшие потери коммутации по сравнению с IGBT. Это объясняется тем, что у MOSFET отсутствует хвостовой ток, и диод имеет очень низкий ток обратного восстановления. Потери проводимости также снизились примерно на 40% благодаря меньшему сопротивлению открытого канала (Rds,on) но сравнению с напряжением насыщения Si-IGBT и FWD, что дало общее снижение потерь мощности инвертора на 53% на частоте ШИМ 4 кГц и 58% на 8 кГц.

Благодаря этому можно значительно уменьшить размер радиатора и, следовательно, уменьшить общий вес и габариты всего преобразователя.

На рис. 3 показаны соответствующие инверторы и радиаторы для двух концепций силовых модулей, в которых использован SiC T-MOSFET (справа) и типовой IGBT с таким же номинальным током (слева). Эти устройства оценивались в ходе лабораторных тестов инверторов, работающих в условиях, близких к реальным. Даже с меньшим радиатором инвертор мощностью 22 кВт на основе SiC демонстрирует более низкую максимальную температуру радиатора на частоте переключения 8 кГц, что показано на рис. 4.

Экономия энергии и снижение расходов в типовых приложениях

В ходе исследований SiC-инвертора мощностью 22 кВт, заменяющего эквивалентный преобразователь на базе IGBT, был проведен расчет энергосбережения для случая управления насосом. При условии работы с частичной нагрузкой, соответствующей 50% скорости и 25% производящего момент тока в соответствии с EN 50598-2, расчетная потенциальная экономия энергии достигает 78 Вт, а при номинальной скорости и крутящем моменте экономия составит 195 Вт.

Если предположить, что профиль нагрузки разделяется на 50% при уменьшенной скорости и 50% при номинальной скорости в течение рабочего времени, получим экономию 1196 кВт*ч в год. Таким образом, при цене энергии 0,10 €/кВт-ч максимальная экономия затрат потребителя может достигать 120 €/год для типового промышленного инвертора. Кроме того, при этом соответственно снижаются затраты на кондиционирование.

Благодаря линейной характеристике напряжения включенного состояния и низкому значению коммутационных потерь у CoolSiC MOSFET, существенно повышается экономия затрат, особенно в режиме частичной нагрузки, который является наиболее распространенным для большинства приводов с переменной скоростью вращения.


22:05:32 - 05.07.2018
Возврат к списку