Wykorzystanie półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej do zmniejszenia strat w układach falowników
| TechnikaArtykuł opisuje wyniki symulacji i pomiarów związanych z częstotliwością nośną PWM w falownikach bazujących na tranzystorach SiC i GaN w kontekście sprawności całego zespołu napędowego.
W silnikach napędzających maszyny wykorzystuje się do regulacji obrotów i momentu modulację szerokości impulsu zasilającego (PWM). Jej negatywnym efektem jest obecność w falowniku strat komutacyjnych sygnału zasilającego o wysokiej częstotliwości, a w silniku napięcie zmienne o wysokiej częstotliwości i związane z nim tętnienia prądu wywołują dodatkowe straty energii. Oznacza to, że musi istnieć kompromis na poziomie systemu (falownik + silnik), który należy oszacować.
W literaturze dostępnych jest wiele wyników badań ilustrujących, w jaki sposób straty mocy w silniku są związane z częstotliwością przełączania PWM. Jednak większość z nich dotyczy tylko zakresu częstotliwości używanego w falownikach z tranzystorami bipolarnymi z izolowaną bramką (IGBT), a więc zwykle do 20 kHz.
Firma Infineon przeprowadziła symulacji i pomiary, aby określić wpływ jeszcze wyższych częstotliwości przełączania na sprawność energetyczną falownika i silnika (do 50 kHz). Dotyczy to napędów zbudowanych z użyciem przełączników o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), a więc tranzystorów z węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN).
Konfiguracja testowa
Konstrukcja falownika składa się z trzech stopni półmostkowych wykonanych jako gotowe płytki nakładkowe o modułowej konstrukcji. Takie podejście ma tę zaletę, że upraszcza i przyspiesza testowanie różnych rozwiązań w zakresie technologii przełączania. W sumie falownik zawiera sześć tranzystorów mocy CoolGaN 600 V 55 mΩ (IGT60R070D1) oraz CoolSiC 650 V w obudowie TOLL (IMT65R048M1H). Elementy te są sterowane przez dwukanałowe drivery bramki EiceDRIVER 2EDF7175F.
Napięcia zasilania dla sterowników strony dolnej i górnej zrealizowano z użyciem izolowanego zasilacza zapewniającego możliwość regulacji wymaganej dla różnych technologii: SiC 18 V i GaN 10 V. Aby zapewnić precyzyjną kontrolę sterowania przełącznikami w falowniku, za pomocą czujników prądu Halla XENSIV TLI4971 mierzone są prądy w każdej z faz wyjściowych falownika. Trafiają one do mikrokontrolera XMC XMC4400, który wykorzystuje również czujniki położenia wirnika do realizacji sterowania polowego (Field Oriented Control, FOC) przy regulacji prędkością silnika synchronicznego z magnesami trwałymi (Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM) (tab. 1).
Jako obciążenie układu mechanicznego pracował silnik indukcyjny, w którym regulacja prądu przyłożonego do uzwojenia zapewniła regulację momentu obrotowego wału. Użycie jako obciążenia silnika indukcyjnego zapewniło płynne działanie bez zacinania się przy małych prędkościach charakterystycznego dla hamulców mechanicznych. Na rysunku 1 pokazano płytkę i konfigurację testową użytą w eksperymencie.
Straty mocy w falowniku
W falowniku energia jest tracona, gdy prąd stały (wyprostowanie napięcie sieci) jest przekształcane na prąd przemienny trójfazowy. Utrata energii sumaryczne jest połączeniem strat rezystancyjnych w elementach falownika, przełączania (komutacji) w przełącznikach mocy i strat w nieidealnych elementach pasywnych. Ilość traconej energii zależy od konstrukcji i specyfikacji falownika i jest bezpośrednio związana z częstotliwością przełączania falownika, przy której pracuje stopień mocy.
Wyższe częstotliwości przełączania zwiększają straty komutacyjne ze względu na większą liczbę zdarzeń przełączania w jednostce czasu. Dlatego wybór odpowiedniej częstotliwości przełączania falownika jest ważny w celu zoptymalizowania ogólnej sprawności układu napędowego silnika. Na poziom strat ma wpływ użyta technologia półprzewodnikowa tranzystorów oraz parametry z nimi związane, takie jak napięcie znamionowe i prąd, częstotliwość przełączania, współczynnik wypełnienia, szybkość zmiany napięcia (dv/dt) i rezystancja bramki (Rg).
Rysunek 2 ilustruje wyniki symulacji strat mocy (przy użyciu PLECS) dla tranzystorów przełączających GaN i SiC o napięciu znamionowym 600–650 V, pracujących przy napięciu 320 V i prądzie 8 A, od najniższej do najwyższej częstotliwości przełączania. Przełączniki SiC mają niewielką przewagę nad GaN-ami przy niższych częstotliwościach (5–10 kHz). Jednak od 20–50 kHz GaN- y zapewniają znacznie niższe straty mocy w porównaniu z SiC-ami. Jednak optymalizacja wydajności i sprawności układu napędowego silnika wymaga również uwzględnienia reszty komponentów systemu.
Straty w silniku
W drugiej części eksperymentu skupiono się na stratach w uzwojeniach silnika, których źródłem jest wysoka częstotliwość napięć zasilania. Podział pomiarów na składowe wysokiej i niskiej częstotliwości wykonano przy użyciu iteracyjnego procesu kolejnych filtrów dolnoprzepustowych. Rysunek 3 przedstawia wyniki pomiarów prądu uzyskane przez dyskryminację. W przypadku napięcia zastosowano również podobny proces separacji.
Rysunek 4 przedstawia prąd fazowy o wysokiej częstotliwości po przeprowadzeniu kondycjonowania prądu. Zgodnie z oczekiwaniami, tętnienia prądu są niższa przy wyższych częstotliwościach przełączania, a to zmniejszone tętnienie prądu pomaga również zmniejszyć ilość energii traconej w silniku.
Straty mocy w silniku przy pracy z dużą częstotliwością
Wysokoczęstotliwościowe straty mocy w silnikach można obliczyć przy użyciu następującego równania:
Wielkość tego parametru dla różnych częstotliwości przełączania i różnych prędkości obrotowych silnika pokazano na rysunku 5, gdzie
Straty przy 900 obr./min i 50 kHz są zbyt małe, aby je pokazać na wykresie.
Wyniki pokazują wyraźny wpływ częstotliwości przełączania PWM na poziom strat w silniku, przy czym straty mocy dla dużych częstotliwości są znacznie mniejsze. Największe występują przy 1800 obr./ min i 5 kHz. W tym punkcie pracy wynoszą około 12 W, podczas gdy przy tej samej prędkości i częstotliwości 50 kHz wynoszą tylko 2 W, co stanowi oszczędność energii 10 W.
Innym spostrzeżeniem jest to, że straty wysokoczęstotliwościowe zależą od prędkości obrotowej silnika, prawdopodobnie z powodu zwiększonej wartości prądów wirowych w elektromagnesach przy większych prędkościach. Straty w rdzeniu to kolejna cecha, która zmienia się wraz z prędkością, przy czym histereza zwiększa się wraz z prędkością silnika, co również wpływa na poziom utraty mocy w silniku.
Całkowite straty systemu napędowego
Parametry, w tym obciążenie, prędkość i temperatura, wpływają na wydajność układu napędowego silnika. Zmniejszenie strat energii w stosunku do mocy wyjściowej zapewnia optymalną wydajność roboczą silnika (sprawność). Analiza łącznych strat wysokoczęstotliwościowych w silniku i falowniku (rys. 6) wykazała, że optymalny punkt pracy (w którym układ napędowy silnika wykazuje najniższe straty w stosunku do swojej mocy wyjściowej) został osiągnięty przy częstotliwości przełączania 20 kHz przy pracy z nominalną prędkością 1800 obr./min i dla 50-procentowego obciążenia znamionowego (tj. 1,1 kW). Utrzymanie parametrów roboczych jak najbliżej tego punktu ma kluczowe znaczenie dla zminimalizowania rozpraszania ciepła.
Rysunek 6 potwierdza ponadto, że wybór optymalnej częstotliwości nośnej PWM wymaga oceny na poziomie całego systemu, w tym rozważenia technologii półprzewodnikowej, która determinuje poziom strat komutacyjnych i maksymalną częstotliwość nośną dla PWM.
Podsumowanie
W przypadku stosowania tranzystorów mocy o szerokiej przerwie energetycznej układy napędowe silników pracujące przy wyższych częstotliwościach przełączania mogą zapewnić wyższą ogólną wydajność systemu. Jednak częstotliwość przełączania powinna być starannie dobrana ze względu na kompromis między poziomem strat w falowniku i silniku.
Wyniki pomiarów i symulacji wykazały, że straty mocy w silniku dla prądów zasilających o wysokiej częstotliwości są mniejsze przy wyższej częstotliwości nośnej PWM. Jednak konieczna jest dalsza analiza wpływu żywotności łożysk i uzwojeń silnika przy wysokich częstotliwościach przełączania i szybszych stanach przejściowych (dv/dt, di/dt).
Nowo projektowane napędy silników muszą uwzględniać możliwości kryjące się w półprzewodnikach SiC i GaN, gdyż wymagania rynku w zakresie sprawności urządzeń cały czas się zwiększają. Ponadto przyszłe projekty powinny również pomóc rozwiązać problemy pojawiające się przy wyższych częstotliwościach przełączania (np. zużycie łożysk i uzwojeń itp.).
Infineon
www.infineon.com
