Mer effektive motorsluttrinn med silisiumkarbid - Elektronikknett
SiC-Elektronikkonsult-Motorstyrning
Motorstyringskort

Mer effektive motorsluttrinn med silisiumkarbid

En teknologistudie viser at man kan oppnå opp til 60 prosent lavere tap i motorsluttrinn med bruk av kretser i silisiumkarbid.

Svenska Energimyndigheten anslår at systemer drevet av elmotorer står for rundt 65 prosent av elforbruket i industrien, og nesten 40 prosent av Sveriges totale elforbruk. Derfor er denne produktgruppen utpekt av EU som den gruppe der man kan oppnå størst energibesparelse. Siden juni 2011 omfattes den også av EUs økodesignkrav. I noen tilfeller når motorer utsettes for en varierende last, er det mulig å spare mye energi ved bruk av en frekvensomformer.

Risiko vs muligheter
Ny teknologi medfører risiko, men også muligheter. I ett prosjekt finansiert av Sveriges innovasjonsmyndighet Vinnova og Energimyndigheten har Elektronikkonsult evaluert silisiumkarbid (SiC) og materialets energisparingspotensiale i motorsluttrinn. Innledende beregninger viste at det kunne være mulig å oppnå store besparelser i effekttap. Målet med prosjektet var å kartlegge den faktiske besparelsen, og hvordan dette påvirket faktorer som EMC og pålitelighet.

IGBT
Et moderne drivsystem for industrielt bruk i effektklassen 2-10 kW bygges i dag ofte rundt en trefasemaskin med matespenning fra en spenningskildeomformer. Vanligvis mates vekselretteren via diodelikeretter eller aktiv likeretter direkte fra trefase industrispenning med opp til 480V. Av kostnads- plassårsaker brukes vanligvis tonivåomformere, slik at man tidligere ofte har vært henvist til å bruke IGBTer (Insulated Gate Bipolar Transistor) med en sperrespenning på 1200V ettersom linkspenningen i disse anvendelsene ligger omkring 560-700V.

SiC-MOSFET
Når bipolare komponenter i silisium (Si) byttes ut med felteffekttransistorer i silisiumkarbid oppnås betydelig bedre statisk og dynamisk ytelse. Felteffekttransistoren er ett steg nærmere et ideelt koplingselement. Gatedrivingen, kapslingen av halvlederne og hovedkretsens konstruksjon blir avgjørende for på- og avslagningskarakteristikken. Utformingen av gatedrivingen gir halvlederen den på- og avslagningskarakteristikk som passer til anvendelsen. Med en intelligent aktuator kan man styre svitsjingen for å minimere svitsjetapene, gitt de restriksjoner som gis av kablings- og motorkonstruksjon. MOSFET-transistorens evne til å lede i motsatt retning og kortslutte den antiparallell dioden gir en betydelig ytelsesforbedring ved drift som går regenerativt eller med lav effektfaktor. Felteffekttransistoren har ikke det knekket i foroverspenningsfallet som er karakteristisk for IGBTen. Derfor kan virkningsgraden  holdes høy over et større arbeidsområdet dersom en SiC-MOSFET benyttes fremfor Si-IGBT.

Case: Industriell skrutrekker
I et drivsystem for industrielle skrutrekkere fra Atlas Copco har vi erstattet transistorene (IGBTer) i vekselretteren med MOSFET-transistorer i silisiumkarbid. I forbindelse med det er styreelektronikken modifisert for å kunne matche silisiumkarbidtransistorene. Lasten er periodisk, og er ikke mulig å bestemme et spesifikt arbeidspunkt man bør optimalisere mot. I stedet må optimalisering gjøres for en gitt lastprofil. Silisiumkarbid gir mulighet for å øke virkningsgraden over hele spennet – ikke bare i et arbeidspunkt. Mekanikken er ikke dimensjonert for kontinuerlig drift, men må avkjøles mellom syklusene. Tapene i vekselretteren er derfor avgjørende for syklustakten og produktiviteten.

Pålitelighet
Gateoksidskiktet i SiC-MOSFETen er kritisk for komponentens pålitelighet. Spesielt feiltilfeller som kortslutning må tas hensyn til under konstruksjonsarbeidet. Pålitelighetsdata fra akselerert testing er tilgjengelig fra komponentleverandørene, og viser at normale pålitelighetskrav kan oppfylles under rette forutsetninger, men erfaringene fra dette feltet er begrensede, ettersom komponentene er nye. Ut fra et pålitelighetssynspunkt kan derfor SiC-JFET være å foretrekke. SiC-MOSFETer tåler kortslutning i størrelsesorden ti mikrosekunder, mens SiC-JFETer kan klare kortslutning i over ett millisekund. Det er fraværet av gateoksidskikt som gjør JFET-transistoren til en mer robust komponent.

Stråling
Et positivt aspekt med komponenter i silisiumkarbid er deres motstandsdyktighet mot kosmisk stråling. Når Si-IGBT anvendes, må linkspenningen normalt begrenses til cirka halve komponentens sperrespenning for å nå ønsket pålitelighet. For SiC-MOSFET kreves ingen slik redusering av linkspenningen, og komponenten kan tillates å arbeide nærmere sin merkespenning.

Spenningsstyrt SiC-MOSFET
Vi har valgt å benytte en MOSFET i silisiumkarbid. Fordelen med SiC-MOSFET sammenlignet med andre kommersielt tilgjengelige komponenter er at den er spenningsstyrt, og sperrer uten påtrykt spenning. Det innebærer at den har en karakteristikk som ligner Si-IGBTen som den erstatter, slik at  modifiseringen av styreelektronikken blir minst mulig.

SiC-JFET er en attraktiv komponent ettersom den i grunnen er mer pålitelig og robust, men den krever en modifisert hovedkrets. En løsning er å bruke en SiC-JFET sammen med en lavspent Si-MOSFET i en kaskadekonfigurasjon. Vi har valgt å integrere motorsluttrinn sammen med likeretter og brems i en modul. Å skulle ta frem en tilsvarende modul med SiC-JFET i kombinasjon med Si-MOSFET ville kreve en større kapsling, noe som ville være vanskelig i denne anvendelsen.

Systemkostnad
Komponenter i silisiumkarbid er fortsatt dyre sammenlignet med silisiumkomponenter med tilsvarende merkestrøm, men prisen på systemnivå behøver ikke nødvendigvis bli høyere. For å oppnå tilsvarende ytelse med silisium kreves ofte mykt kommuterende topologier eller flernivå-topologier i kombinasjon med stort silisiumareal i hver posisjon. I begge tilfeller øker antall komponenter, og prisforskjellen minker. Vi har sammenlignet en løsning med tonivå-omformere i silisiumkarbid med en trenivå-omformer med Si-MOSFETer og kommet frem til at prisen per i dag ligger på omtrent det samme for de to løsningene. Prisen på komponenter i silisiumkarbid kan forbentes å synke når nye generasjoner av komponenter kommer på markedet, mens kostnaden for flernivå-topologier og resonante omformere kan forventes å være fortsatt høy. Til tross for at flernivå-topologier har store systemfordeler, som blant annet lavere ekstratap i elmotoren samt redusert påkjenning på isolasjonsmaterialet, blir tonivå-løsningen ofte det eneste mulig valget, på grunn av de størrelseskravene som er gitt.

Raske omslag
Komponenter i silisiumkarbid muliggjør svært  rask omslag/svitsjing, som i prinsippet bare begrenses av parasittkompononenter i hovedkretsen og i kapslingen. Raskere omslag innebærer at svitsjefrekvensen kan forhøyes uten økede tap. Å øke svitsjefrekvensen i motorsluttrinnet kan være en god måte å redusere rippelstrømmene i maskinen og dermed senke tilsatstapene. I praksis må det tas hensyn til utstrålt og ledningsbundet utstråling samt spenningsmotstand i isoleringsmaterialet i motoren. Altfor raske transienter kan i kombinasjon med lange kabler forårsake spenningstransienter som i verste fall kan ødelegge motorisoleringen. Ett alternativ er å innføre motorfilter. Gjennom å integrere motorfilteret i frekvensomformeren kan rippelstrømmen minskes, hvilket innebærer lavere tap i motoren. Ved å returnere støystrømmene lokalt kan omslagstiden gjøras kortere og kommuteringstapene senkes. Selv om svitsjefrekvensen kan økes til svært høye frekvenser slik at filteret kan gjøres lite, innebærer dette at drivsystemet må gjøres større, noe som ikke var en gangbar vei i dette prosjektet. Uten motorfilter må svitsjefrekvensen holdes lav, typisk i området 8 – 16 kHz, samt at flanketidene ikke kan forkortes nevneverdig. Ved at svitsjefrekvensen holdes lav, trengs det ikke ekstreme omslagstider. De ledningsbundne forstyrrelsene er av samme størrelsesorden for begge teknologiene, og under grenseverdiene, se figur 2.

Økt virkningsgrad
Resultatene fra våre effekttapsmålinger fremgår av figur 1. Økningen i virkningsgrad er påtagelig. Ved 8 kHz svitsjefrekvens reduseres tapene til mindre enn halvparten over hele arbeidsområdet. Ved 16 kHz svitsjefrekvens er forskjellen enda større. Med silisiumkarbid minsker tapene til en tredel sammenlignet med dagens løsning med IGBTer.

Effekttap Figur 1. Omformertap som funksjon av fasestrøm.

Reduserte svitsjetap
Til tross for at flanketidene ikke er nevneverdig endret, har vi kunnet redusere svitsjetapene sammenlignet med den nåværende løsningen med IGBTer. Det innebærer at vi nå kan øke svitsjefrekvensen til 16 kHz samtidig som totaltapene kan reduseres betydelig. Å øke svitsjefrekvensen gjør det mulig å redusere strømrippelen i motorer med lav induktans. Dermed øker også virkningsgraden i verktøyet, med lavere temperaturer og høyere syklustakter som resultat.

SiC-Elektronikkonsult-EMCbild Figur 2. Ledningsbundet utstråling. Silisiumkarbid (blå/grønn) og silisium (gul/lilla).

Kjøling
Dagens konstruksjon er optimalisert for størrelse, og tilgjengelig kjøling er bestemt av mekanikken. Maksimal tillatt temperatur på kjøleren bestemmes av gjeldene normer (for å unngå brannskader). I våre tester har vi kunnet minske temperaturen på kjøleren med 10˚C. Å minske temperaturen på mekanikken er verdifullt, ettersom det betyr økt levetid for resten av elektronikken. En akseptert regel er at elektrolyttkondensatorers levetid dobles når temperaturen senkes med 7-10˚C. Med transistorer i silisiumkarbid kan vi doble produktiviteten for samme mekanikk og i tillegg øke produktets forventede levetid. Pålitelighetsaspektet ved silisiumkarbid har vært omdiskutert gjennom de siste årene. Gateoksidskiktet har historisk vært et svakt punkt, men med nye generasjoner er dette blitt forbedret. Kortslutningsmotstand er fortsatt en utfordring og gjenstand for forskning. Ettersom komponentene er nye, er det begrenset med erfaringer fra feltet. For å vurdere levetiden har har vi gjennomført levetidstester ved å kjøre drivsystemet i to millioner sykluser uten havarier eller redusert ytelse, hvilket tilsvarer det dobbelte av produktets nødvendige levetid.

Overgår forventningene
Som en konklusjon kan vi konstatere at kraftelektronikk basert på silisiumkarbid  overgår våre høye forventninger når det gjelder effektbesparelser i drivsystemet. Med økende krav til energieffektivitet er det på tide at industrien tar til seg teknologien, og setter i gang med å utvikle verdensledende og høyeffektive produkter med silisiumkarbid.

Kommentarer