낮은 인덕턴스 모터
저 인덕턴스 모터는 대형 에어 갭 모터, 슬롯리스 모터, 저 누설 유도 모터 등 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. 또한 권선 고정자가 아닌 PCB 고정자를 사용하는 최신 유형의 모터에도 사용할 수 있습니다. 이러한 모터는 필요한 리플 전류를 유지하기 위해 높은 스위칭 주파수가 필요합니다. 그러나 이러한 요구는 50kHz 이상의 변조 주파수를 위한 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터로는 충족할 수 없으며, 실리콘 MOSFET은 380V 시스템에 대한 전압 내성이 충분하지 않아 광대역 디바이스에 대한 새로운 기회를 열어줍니다.
고속 모터
기본 주파수가 높기 때문에 이러한 모터는 높은 스위칭 주파수도 필요합니다. 고출력 밀도 전기 자동차, 높은 극 수 모터, 토크 밀도가 높은 고속 모터, 메가와트급 고속 모터와 같은 애플리케이션에 적합합니다. 다시 말하지만, IGBT는 달성할 수 있는 최대 스위칭 주파수에 제한이 있으며 광대역 스위칭 장치를 사용하면 이러한 한계를 극복할 수 있습니다. 연료 전지의 공기 압축기를 예로 들 수 있습니다. 최대 압축기 속도가 150,000rpm을 초과하고 출력 주파수가 2,500Hz를 초과하는 압축기 모터 컨트롤러의 경우 전력 장치에는 높은 스위칭 주파수가 필요하므로 이러한 애플리케이션에 적합한 디바이스로 SiC-MOSFET이 선택됩니다.
가혹한 서비스 조건
모터 제어 인버터에 광대역 디바이스를 사용하면 두 가지 흥미로운 이점이 있습니다. 첫째, 실리콘 디바이스보다 열 발생이 적어 열 방출의 필요성이 줄어듭니다. 둘째, 실리콘 칩이 견딜 수 있는 최대 작동 온도인 200°C에 비해 더 높은 작동 온도(SiC: 600°C, GaN: 300°C)를 견딜 수 있으며, 현재 SiC 제품에는 200°C 이상의 작동 온도에 적합하지 않은 패키징 관련 문제가 있지만 이러한 문제를 해결하기 위한 연구가 집중되고 있습니다. 현재 SiC 제품에는 200°C 이상의 작동 온도에 적합하지 않은 일부 패키징 관련 문제가 있지만, 이러한 문제를 해결하기 위한 연구가 진행 중입니다. 결과적으로 광대역 디바이스는 하이브리드 전기 자동차의 통합 모터 드라이브, 해저 및 다운홀 애플리케이션, 우주 애플리케이션 등 혹독한 작동 조건에 직면할 가능성이 높은 모터 애플리케이션에 더 적합합니다.
전통적으로 IGBT는 모터 드라이브의 스위칭 디바이스로 사용되어 왔습니다. Si IGBT에 비해 SiC MOSFET이 모터 드라이브 애플리케이션에 더 적합한 장점은 무엇일까요?
첫째, 스위칭 특성의 관점에서 전력 디바이스 스위칭 손실은 턴온 손실과 턴오프 손실로 나뉩니다.
셧다운 손실
IGBT는 양극성 장치, 전도성 전자와 정공이 전도성에 공동으로 참여하지만 정공으로 인해 꺼져 복합체를 통해서만 점차적으로 사라질 수 있으므로 후행 전류를 생성하고 후행 전류는 IGBT 셧다운 손실이 큰 주된 이유이며, SiC MOSFET은 단극 장치이며 전자 만 전도성에 참여하고 종료 전류에는 후행 전류가 없어 SiC MOSFET 종료 손실이 크게 발생합니다. 보다 낮은
IGBT.
오프닝 손실
IGBT 턴온 전류는 종종 오버 슈트이며, 이는 역 병렬 다이오드가 전류를 교환 할 때 생성되는 역 복구 전류로 IGBT 턴온 전류에 겹쳐집니다. 역 회복 전류는 IGBT의 턴온 전류에 중첩되어 장치의 턴온 손실을 증가 시키며, IGBT의 역 병렬 다이오드는 종종 Si PiN 다이오드이며 역 회복 전류가 더 분명합니다. SiC MOSFET 구조는 자연스럽게 바디 다이오드를 통합하고 추가 병렬 다이오드가 필요하지 않습니다. SiC 바디 다이오드는 전류 교환에 관여하고 역 회복 전류는 IGBT의 역 병렬 실리콘 PiN 다이오드보다 훨씬 낮으므로 SiC MOSFET의 턴온 손실은 동일한 dv / dt에서도 IGBT보다 낮습니다. 또한 SiC MOSFET을 사용하면 서보 드라이브가 모터와 통합 될 수 있습니다. 또한 SiC MOSFET을 사용하여 서보 드라이브를 모터와 통합할 수 있으므로 케이블의 dv/dt 제한을 없앨 수 있습니다.
높은 dV/dt 조건에서 SiC의 스위칭 손실은 더욱 감소하여 IGBT보다 훨씬 낮으며, 스위칭 프로세스가 느린 경우에도 SiC의 스위칭 손실은 IGBT보다 우수합니다.
또한 SiC MOSFET의 스위칭 손실은 온도와 거의 무관한 반면, IGBT의 스위칭 손실은 온도에 따라 크게 증가합니다. 따라서 고온에서 SiC MOSFET의 손실이 더 유리합니다.
dv/dt 제한을 다시 고려하면 동일한 dv/dt 조건에서 고온에서 SiC MOSFET의 총 스위칭 손실은 50%에서 60%까지 감소하며, dv/dt가 제한되지 않는 경우 총 SiC 스위칭 손실은 최대 90%까지 감소합니다.
전도 특성의 관점에서:
CoolSiCMOSFET은 다양한 작동 조건에서 전도 손실을 줄였습니다.
다음 작업 조건을 가정하여 세 가지 장치를 비교합니다:
IGBT IKW40N120H3 .
SiC MOSFET IMW120R060M1H 및 IMW120R030M1H .
테스트 조건
Vdc=600V, VN,out=400V, IN,out=5A-25A, fN,sin-out=50Hz, fsw=4-16kHz, Tamb=25°C, cos(φ)N=0.9, Rth,HA=0.63K/W, dv/dt=5V/ns
M=1,Vdc=600V, fsin=50Hz, RG@dv/dt=5V/ns, fsw=8kHz, 케이블 길이 5m, Tamb=25°C
위의 작업 조건에 따라 동일한 온도 조건에서 30mohm 장치의 출력 전류는 40A IGBT보다 10A 더 높으며 더 작은 60mohm SiC MOSFET으로 교체하더라도 출력 전류를 약 5A까지 높일 수 있습니다. 그리고 동일한 전류 조건에서 SiC MOSFT의 온도가 크게 감소합니다.
SiC 스위칭 디바이스가 모터 구동 시스템에 가져올 수 있는 이점을 요약하면 다음과 같습니다. 손실 감소 - 전력 소비 감소로 사람들의 삶을 더욱 환경 친화적이고 지속 가능하게 만듭니다.
뛰어난 성능 - 더 작은 디바이스에서 동일한 성능을 구현하여 더 높은 전력 밀도와 비용 효율적인 모터 설계를 달성할 수 있습니다.
컴팩트 - 보다 컴팩트한 공간 절약형 모터 설계로 재료 소비를 줄이고 열 방출 요구 사항을 낮춥니다.
더 높은 품질 - SiC 인버터는 수명이 길고 고장이 덜 발생하므로 제조업체가 더 긴 보증을 제공할 수 있습니다.
마지막으로 인피니언 CoolSiC는 단일 튜브의 경우 3us, Easy 모듈의 경우 2us의 단락 회로 기능을 보장하여 시스템의 안전성과 신뢰성을 더욱 보장합니다.
