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Wolfspeed 功率模塊如何變革三相工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

發(fā)布時(shí)間:2024-03-07 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】根據(jù)最保守的估計(jì),電機(jī)占全球工業(yè)用電量的 50% 以上,占全球用電量的 45%。哪怕只是提高一點(diǎn)點(diǎn)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率,都將極大地影響全球能源消耗,并減少對(duì)環(huán)境的影響。為了解決全球范圍內(nèi)的能源消耗問(wèn)題,越來(lái)越嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn),這給電力電子設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。


根據(jù)最保守的估計(jì),電機(jī)占全球工業(yè)用電量的 50% 以上,占全球用電量的 45%。哪怕只是提高一點(diǎn)點(diǎn)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率,都將極大地影響全球能源消耗,并減少對(duì)環(huán)境的影響。為了解決全球范圍內(nèi)的能源消耗問(wèn)題,越來(lái)越嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn),這給電力電子設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。


Wolfspeed 碳化硅(SiC)為提高工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率,提供了出色的解決方案,只需用碳化硅替換傳統(tǒng) IGBT,即可實(shí)現(xiàn) 2.4% 甚至更高的效率增益。利用碳化硅進(jìn)行進(jìn)一步的重新設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的集成,從而創(chuàng)建更小、更輕的嵌入式工業(yè)驅(qū)動(dòng)器。


在本文中,我們將探討 Wolfspeed WolfPACK 功率模塊如何將損耗降低高達(dá) 50%,同時(shí)實(shí)現(xiàn)更小、更輕、熱穩(wěn)定性更高的嵌入式 25 kW 三相工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。


采用碳化硅通過(guò)更小的散熱器實(shí)現(xiàn)更高的效率


典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一個(gè) AC-DC(有源前端)級(jí)和一個(gè) DC-AC(逆變器)級(jí)所組成。在具有 45 kHz 開關(guān)頻率的六開關(guān)有源前端(AFE)的 25 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,對(duì)比 20 kHz 硅開關(guān)作為基準(zhǔn)測(cè)試時(shí),設(shè)計(jì)人員可以將前端級(jí)的效率提高 1.3%。當(dāng) Wolfspeed 30 A 額定功率模塊與 100 A 額定硅 IGBT 模塊(兩者均以 8 kHz 開關(guān))進(jìn)行保守的基準(zhǔn)比較時(shí),逆變器也可以實(shí)現(xiàn)類似的改進(jìn)。這兩項(xiàng)變化共同帶來(lái)令人印象深刻的 2.6% 效率提升,整個(gè)系統(tǒng)損耗減少 50%,并幫助集成式電機(jī)達(dá)到 IE4 效率標(biāo)準(zhǔn),原始系統(tǒng)則僅達(dá)到 IE3 標(biāo)準(zhǔn)。


Wolfspeed 功率模塊如何變革三相工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器


如上圖表明,在具有 0.8 L 散熱器的 25 kW 逆變器中,使用 Wolfspeed 碳化硅六管集成 WolfPACK 模塊與傳統(tǒng)硅 IGBT 模塊相比,效率有所提高。隨著功率水平的增加,50 A 和 100 A 額定硅 IGBT 的結(jié)溫升高,導(dǎo)致它們失效,而 Wolfspeed 32 A 碳化硅 MOSFET 則保持穩(wěn)定,并遠(yuǎn)低于失效溫度閾值。


值得注意的是,上述效率提升不僅出現(xiàn)在峰值負(fù)載下,也出現(xiàn)在部分負(fù)載下。在某些部分負(fù)載下,效率提升更高,非常適合這些機(jī)器的典型負(fù)載曲線。此外,正在測(cè)試的碳化硅器件是額定電流較低的部件,最大負(fù)載時(shí)的結(jié)溫為 105℃,創(chuàng)造了重要的緩沖裕量以最大幅度地提高了允許的系統(tǒng)能力限制,而 50 A IGBT 模塊則明顯超出了限制,并且 100 A IGBT 則稍微超出最大的負(fù)載限制。這里的“限制”被定義為 150℃,這個(gè)最大結(jié)溫是基于功率模塊應(yīng)用系統(tǒng)中允許的常規(guī)要求。



Wolfspeed 功率模塊如何變革三相工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器


為了確保系統(tǒng)可行、正常運(yùn)行和優(yōu)化,我們使用不同的散熱器,將 IGBT 散熱器尺寸從 0.8 L 增大到 1.37 L,并將碳化硅散熱器尺寸減小 61%,確保提高其結(jié)溫以減少裕量。與 IGBT 相比,碳化硅解決方案的散熱器尺寸減小了77%,盡管進(jìn)行了這些修改,50 A IGBT 仍然明顯高于 150℃ 的溫度限制,但我們的 32 A 部件和 100 A IGBT 最終處于 129℃ 左右的相同結(jié)溫。另外值得注意的是,碳化硅逆變器的效率提高了 1.1%??傊?,在三相供電的 25 kW 系統(tǒng)中使用更精簡(jiǎn)且更優(yōu)化的碳化硅散熱器,整體效率提高了 2.4%,損耗減少了 600 W,同時(shí)最初是 IE3 標(biāo)準(zhǔn)的集成電機(jī)仍然可達(dá)到 IE4 效率標(biāo)準(zhǔn)。


無(wú)需額外成本即可將全系統(tǒng)損耗減少高達(dá) 50%


碳化硅在工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)級(jí)呈現(xiàn)出巨大的價(jià)值,雖然碳化硅器件的前期成本可能超過(guò)傳統(tǒng)硅 IGBT,但更高的開關(guān)頻率和更低的損耗,意味著對(duì)無(wú)源器件和散熱器的投資更少。


對(duì)于 25 kW 系統(tǒng)來(lái)說(shuō),這種優(yōu)化的系統(tǒng)可節(jié)省高達(dá) 605 W,考慮到每年運(yùn)行 8,200 小時(shí)的不同負(fù)載曲線,根據(jù)截至 2023 年 11 月中國(guó)的電費(fèi)計(jì)算,每年可節(jié)省 1,297.8 元人民幣,并在未來(lái) 15 年積累節(jié)省約 19,000 元人民幣。用碳化硅器件取代 IGBT 的前期成本可能會(huì)更高,但當(dāng)我們考慮整個(gè)系統(tǒng)成本時(shí),碳化硅的較高成本可以通過(guò)無(wú)源器件的減少來(lái)抵消,并同時(shí)將工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端系統(tǒng)的效率提升到新的水平。


采用碳化硅的逆變器最值得關(guān)注的改進(jìn)之一,則是顯著減少系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量,使設(shè)計(jì)人員能夠使用更小的散熱器,并設(shè)計(jì)整體更小、更輕的工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。



Wolfspeed 功率模塊如何變革三相工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器


在圖3中,我們進(jìn)一步支持碳化硅如何在更高的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)卓越的性能。在這里,我們將開關(guān)頻率從 8 kHz 提高到 16 kHz,并使用比同類 IGBT 散熱器小 41% 的散熱器。借助 Wolfspeed 碳化硅 FM3 六管集成功率模塊,我們的效率仍然高于或接近 99%,并且在峰值負(fù)載時(shí)接近 150℃ 的溫度限制。對(duì)于 50 A 和 100 A IGBT,由于開關(guān)損耗增加,我們分別在 10 kW 和 15 kW 左右開始出現(xiàn)熱失效。為了使這些更高額定電流的 IGBT 與 Wolfspeed FM3 碳化硅模塊一樣有效地運(yùn)行,設(shè)計(jì)人員需要使用更大的散熱器或更高額定電流的部件。有趣的是,碳化硅在 16 kHz 下的逆變器效率仍然高于 IGBT 在 8 kHz 下的逆變器效率。


結(jié)語(yǔ)


總之,用碳化硅替代傳統(tǒng)的硅 IGBT,可以在 25 kW 工業(yè)低電壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高達(dá) 2.6% 的整體效率提升。在整個(gè)負(fù)載曲線中,可以在更高功率水平下實(shí)現(xiàn)高效率改進(jìn),從而節(jié)省大量能源。由于無(wú)源組件和散熱器更小,碳化硅還提供了更高的功率密度,并帶來(lái)整體系統(tǒng)成本和尺寸的優(yōu)化。此外,碳化硅器件的高結(jié)溫可能性、改進(jìn)的散熱,以及較低的損耗,使設(shè)計(jì)人員能夠構(gòu)建更緊湊的系統(tǒng),從而輕松集成驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。

(作者:Pranjal Srivastava)



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