Электрические двигатели становятся все более распространенными по мере автоматизации все большего числа отраслей промышленности. Одни из самых крупных и мощных в мире находятся в промышленном секторе. Здесь полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC), металлооксидных полупроводников (МОП-транзисторы) быстро заменяют биполярные транзисторы с кремниевым затвором благодаря своей превосходной производительности.
SiC обеспечивает более высокую частоту переключения при большей эффективности, что представляет собой значительный шаг вперед. Карбид-кремниевые МОП-транзисторы преобразуют управление двигателем за счет снижения потерь энергии, повышения надежности системы и повышения термостойкости. Эта технология позволяет создавать высокопроизводительные промышленные системы нового поколения.
5 способов, с помощью которых МОП-транзисторы на основе SiC повышают эффективность и надежность
Эффективное управление двигателем имеет решающее значение для работы современного оборудования – от электромобилей до роботов. Традиционные компоненты на основе кремния были стандартом в течение многих лет, но детали из SiC постепенно вытесняют их, поскольку они повышают энергоэффективность и надежность.
Минимальные потери при переключении
Эти МОП-транзисторы имеют гораздо более высокую скорость переключения, чем их кремниевые аналоги. Транзистор проводит меньше времени в переходном состоянии с рассеиванием мощности, экономя энергию с каждым циклом. Увеличение скорости переключения может снизить потери мощности в инверторах управления двигателем и обеспечить работу на более высоких частотах.
Более низкие потери на проводимость
Устройства из SiC могут обеспечить более низкое электрическое сопротивление на единицу площади по сравнению с их кремниевыми аналогами при том же напряжении пробоя. Меньшее сопротивление при включении минимизирует потери проводимости, когда транзистор находится во включенном состоянии, тем самым повышая эффективность в системах управления двигателями, где транзисторы пропускают ток в течение значительной части рабочего цикла. При полном включении переключателя в виде тепла расходуется меньше энергии.
Более высокое напряжение пробоя
Электрическая прочность диэлектрика на основе SiC примерно в 10 раз выше, чем у Si, поэтому материал может выдерживать высокие напряжения и низкие перепады напряжения. Устройства из SiC могут достигать очень высокого напряжения пробоя и иметь относительно низкое электрическое сопротивление на единицу площади, что позволяет им демонстрировать большую надежность при применении в высоковольтных устройствах.
Более высокая удельная мощность
Более низкие потери при переключении и проводимости позволяют системам управления двигателем, использующим карбид-кремниевые МОП-транзисторы, работать на более высоких частотах переключения без существенного снижения эффективности. Их способность работать при более высоких частотах, напряжениях и температурах позволяет создавать более компактные и эффективные схемы управления двигателем. Это приводит к увеличению удельной мощности.
Как эти свойства проявляются в реальных преимуществах
Эти физические свойства дают множество реальных преимуществ, наиболее значимыми из которых являются повышенная надежность систем управления двигателями. За счет снижения потерь энергии, повышения термостойкости и электрической прочности диэлектрика карбид-кремниевого МОП-транзистора делают системы более надежными.
Снижение тепловой и электрической нагрузки на систему управления двигателем приводит к увеличению срока службы и сокращению числа точек отказа. Специалисты отрасли могут рассчитывать на сокращение незапланированных простоев и повышения производительности. Переход с Si на SiC может показаться незначительным, но он имеет огромное значение в чувствительных ко времени отраслях промышленности, где время безотказной работы – это все.
Такие характеристики, как улучшенная теплопроводность, позволяют уменьшить размеры радиаторов и устранить необходимость в резервировании, тем самым уменьшая общий размер и вес системы. Более высокая удельная мощность также способствует уменьшению форм-фактора, поскольку более высокая эффективность обеспечивает более компактную конструкцию.
Возьмем современные электромобили, в которых используются высоковольтные аккумуляторные батареи напряжением 400 В или 800 В. В настоящее время наблюдается тенденция к увеличению напряжения для повышения эффективности и ускорения зарядки. Бортовые зарядные устройства на базе SiC обеспечивают исключительную плотность мощности – 4 киловатта на литр и более, а эффективность зарядки превышает 96%.
Оценка структуры полупроводниковых МОП-транзисторов в более широком контексте
Общая надежность системы зависит как от электронных, так и от механических компонентов. В отраслях, требующих высокой точности, качество даже самых мелких деталей имеет решающее значение. Обработка этих мелких деталей в процессе производства определяет качество и производительность продукта. Однако с мелкими деталями могут возникнуть трудности в обращении, включая повреждение, неправильную ориентацию и потерю.
Полупроводниковые МОП-транзисторы сами по себе являются небольшими и сложными компонентами, требующими высочайшей точности. Хотя они имеют решающее значение для повышения энергоэффективности и производительности, механическая целостность двигателя не менее важна. Каждая из мельчайших деталей должна быть точно обработана.
В системе электродвигателей, приводимых в действие с помощью карбид-кремниевых МОП-транзисторов, может возникать непреднамеренная емкость отдельных деталей или паразитная емкость, возникающая из-за воздушных зазоров. Это может вызвать электромагнитные помехи, скачки напряжения, паразитное включение или колебания при переключении. Если ничего не предпринять, это может привести к преждевременному износу или полному выходу системы из строя.
В дополнение к проверенным технологиям, таким как массовая обработка, для производства двигателей на основе SiC необходимы технологии автоматизации и современные промышленные роботы. Однако, несмотря на то, что почти 80% производителей считают, что интеллектуальное производство повысит конкурентоспособность, только 50% готовы инвестировать. Первые разработчики будут устанавливать стандарты.
Перспективные решения для управления промышленными двигателями
SiC – это не просто логический следующий шаг после Si. Это не постепенное усовершенствование, а преобразующая технология, позволяющая использовать ее в будущих устройствах для управления двигателями. Карбид кремния обеспечивает значительно меньшие потери энергии во время работы, обладает большей термостойкостью и по своей сути менее подвержен разрушению под воздействием высокого напряжения.
Поскольку технология SiC решает давние проблемы, связанные с повышением энергоэффективности и надежности систем, она, вероятно, вскоре полностью заменит компоненты на основе Si. Перспективы использования SiC в промышленных двигателях являются многообещающими.
По сравнению с традиционными решениями, эта технология превосходит их во всех отношениях. Она идеально подходит для применения при высоких температурах, высоком напряжении и высокой частоте. Она позволяет ускорить зарядку электромобилей, упростить точное проектирование в робототехнике, повысить эффективность преобразователей энергии из возобновляемых источников и увеличить срок службы промышленных двигателей. Проще говоря, технология кардинально меняет управление двигателем.
Высокие частоты переключения создают потенциальные электромагнитные помехи, но методы управления затвором позволяют добиться минимально возможных потерь при переключении. Оптимизация процесса переключения в мощных устройствах с использованием современных подходов, а не простого переключения с помощью резистора, может повысить надежность МОП-транзисторов на основе SiC.
Двигатели на основе SiC постепенно заменят традиционные
Полупроводниковые МОП-транзисторы заменят устройства на основе Si в системах силовой электроники. Благодаря возможности создания систем меньшего размера, снижению потерь энергии и повышению общей надежности, они изменят конструкцию высоковольтных систем в агрессивных промышленных средах с высокой температурой. Потенциальные преимущества применимы ко всему – от асинхронных двигателей до серводвигателей с высоким крутящим моментом.
