Motorantriebe
Standardmäßige Motorantriebsschaltungen werden traditionell in einem vom Motor getrennten Gehäuse untergebracht, was das Gewicht erhöht und die Gesamtgröße der Motorantriebsarchitektur vergrößert. Darüber hinaus erhöhen die Schnittstellenkabel vom Antriebsschaltkreis zum Motor die Induktivität des Schaltkreises, was möglicherweise zu einem Überschwingen der Spannung des Hochfrequenzantriebs auf den Motor führt. Dies kann auch zu einem ineffizienten Design mit geringer Leistungsdichte führen.
In der heutigen Welt der Energieverwaltung ermöglichen Leistungstransistoren mit breiter Bandlücke, wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), den Entwicklern, die Leistungselektronik durch Erhöhung der Schaltfrequenz zu verkleinern. Und da SiC und GaN weitaus effizienter sind und weniger Wärme ableiten, werden kleinere Kühlkörper benötigt. Dank dieser geringeren Größe können die Antriebskomponenten in/auf den Motor selbst integriert werden, was zu einem leichteren und kompakteren System führt.
Diese Verbesserung der Architektur ist besonders wichtig für die Traktionsmotoren im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen, bei denen Gewicht und Effizienz besonders gefragt sind. (Abbildung 1).
Abbildung 1: Ein Elektrofahrzeug-Antriebsstrang mit SiC-MOSFETs kann in einem integrierten modularen Motorantrieb (IMMD) erstellt werden, der eine höhere Effizienz, schnellere Schaltgeschwindigkeiten und einen kühleren Betrieb bietet und gleichzeitig die strengen Qualitätsanforderungen der Automobilindustrie erfüllt (Bild mit freundlicher Genehmigung von Wolfspeed)
Vorteile von WGP Power Elements
Die Hauptvorteile von WBG-Bauelementen liegen in ihren geringeren Gesamtverlusten, ihren schnellen Schaltfähigkeiten und ihrer Fähigkeit zum Betrieb bei hohen Temperaturen. SiC und GaN werden die führenden WBG-Bauelemente für Leistungsarchitekturen sein. Betrachtet man die Spannungsbereiche von WBG-Bauelementen, so haben GaN-Leistungstransistoren Nennspannungen bis zu 650 V, während SiC bei 650 V beginnt und in Modulen bis zu 10 kV reicht.
Motorantriebskonstruktionen in der Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugantriebssysteme und andere werden von WBG und IMMD profitieren. Neben der Größen- und Gewichtsreduzierung können die teureren Kosten der WBG-Geräte durch den Wegfall des separaten Schaltschrankgehäuses und der zugehörigen Stecker und Kabel ausgeglichen werden. Außerdem führt der Wegfall von Verbindungskabeln zu einem geringeren Leckstrom in der Isolierung der Motorwicklung, was die Lebensdauer des Motors erhöht und die elektromagnetischen Interferenzen (EMI) verbessert. Schließlich werden auch die Installations-, Herstellungs- und Wartungskosten gesenkt.
Betrachtet man die Spannungsbereiche von WBG-Bauelementen, so haben GaN-Leistungstransistoren Nennspannungen bis zu 650 V, während SiC bei 650 V beginnt und in Modulen bis zu 10 kV reicht.
SiC/Si-Hybride
Abbildung 2: Schaltplan einer SiC-Schottky-Barrier-Diode (SiC-SBD) mit hoher Leistung, geringem Verlust und zuverlässigem Leistungsmodul für Traktionswechselrichter (Bild mit freundlicher Genehmigung von Mitsubishi)
Abbildung 3: Hochgeschwindigkeitsschaltung für SiC vs. Si (Bild mit freundlicher Genehmigung von Mitsubishi)
Reverse-Recovery
Der Dioden-Sperrstrom und die IGBT-Schaltverluste können drastisch reduziert werden, indem die Silizium-PiN-Diode mit Freilauf durch eine SiC-Schottky-Barrier-Diode (SBD) ersetzt wird.
SiC-Schottky-Barrier-Dioden weisen eine Null-Ladung (Qrr) für ultraschnelle Schaltvorgänge auf. Das ultraniedrige Qrr in SiC-SBDs führt zu geringeren Schaltverlusten in einer typischen hart geschalteten IGBT-basierten Anwendung. Dadurch wird die Gehäusetemperatur des IGBT gesenkt, was die Systemeffizienz verbessert und möglicherweise eine Verkleinerung des Silizium-IGBT ermöglicht. (Abbildung 4)
Abbildung 4: Reverse-Recovery-Ladung (Qrr) von 650 V (Abbildung links) und 1200 V (Abbildung rechts) SiC-Schottky-Dioden und Silizium-Bipolardioden bei verschiedenen Temperaturen. Die schattierten Bereiche stellen die Energieverschwendung durch die Rekombination der Minoritätsträger der Silizium-Bipolardiode dar. (Bild mit freundlicher Genehmigung von CREE)
Anwendungen für WBG-Geräte in Motorantrieben
WBG-Bauteile bieten erhebliche Vorteile für viele Anwendungen, einschließlich Motorantriebe. Abbildung 5 zeigt Anwendungen für Motoren mit niedriger Induktivität, hohen Geschwindigkeiten und hohen Temperaturen, wichtige Anforderungen und Einschränkungen von Si-Lösungen.
Abbildung 5: Verschiedene WBG-Anwendungen in Motorantrieben (Bild aus Referenz 1, unten)
Wir sehen also, dass WBG-Bauteile effizient Motoren mit hoher Leistung und niedriger Induktivität ermöglichen, die eine hohe Schaltfrequenz und eine hohe Bandbreite erfordern. Nicht zu vergessen das Elektrofahrzeug, das eine ausgeklügelte Leistungselektronik einsetzt, um den Energiefluss zwischen den Rädern, dem Verbrennungsmotor und den Speichergeräten zu steuern. Batterieladegeräte sind ebenfalls eine hervorragende Anwendung für SiC-Bauelemente, die ihre Magie entfalten. Weitere Anwendungen werden sich aus den Bedürfnissen der Industrie und den fruchtbaren Köpfen der Entwicklungsingenieure ergeben.
Referenzen
- Wide Bandgap Devices in AC Electric Drives: Opportunities and Challenges, Ajay Kumar Morya, Member IEEE, Matthew C. Gardner, Student Member IEEE, Bahareh Anvari, Member IEEE, Liming Liu, Senior Member IEEE, Alejandro G. Yepes, Member IEEE, Jesús Doval-Gandoy, Member IEEE, und Hamid A. Toliyat, Fellow IEEE, IEEE TRANSACTIONS ON TRANSPORTATION ELECTRIFICATION, VOL. 5, NO. 1, MARCH 2019
