Wie Wolfspeed-Leistungsmodule dreiphasige industrielle Niederspannungsmotorantriebe revolutionieren

Nach den konservativsten Schätzungen entfallen mehr als 50 % des gesamten globalen industriellen Stromverbrauchs und 45 % des gesamten globalen Stromverbrauchs auf Elektromotoren. Selbst eine geringfügige Erhöhung der Effizienz von industriellen Antriebssystemen würde erhebliche Auswirkungen auf den globalen Energieverbrauch haben und die Umweltbelastung verringern. Zunehmend strengere Effizienzstandards entstehen, um den globalen Energieverbrauch zu adressieren, was neue Herausforderungen für Leistungs-Elektronik-Designer darstellt.

Wolfspeed-Siliziumkarbid bietet eine ausgezeichnete Lösung zur Effizienzsteigerung bei industriellen Motorantrieben, indem es Effizienzsteigerungen von 2,4 % und mehr ermöglicht, indem herkömmliche IGBTs einfach durch Siliziumkarbid ersetzt werden. Eine weitere Neugestaltung mit Siliziumkarbid kann die Integration von Antrieben und Motoren ermöglichen, um kleinere, leichtere eingebettete industrielle Antriebe zu schaffen.
In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie Wolfspeed’s WolfPACK™-Leistungsmodule eine Reduzierung der Verluste um bis zu 50 % ermöglichen, während sie kleinere, leichtere und thermisch stabilere eingebettete 25-kW-Dreiphasen-Niederspannungs-Industriemotorantriebe unterstützen.

Erreichen Sie höhere Effizienz mit kleineren Kühlkörpern durch SiC

Ein typisches Motorantriebssystem besteht aus einer Wechselstrom-Gleichstrom- (Active Front End) Stufe, gefolgt von einer Gleichstrom-Wechselstrom- (Inverter) Stufe. In einem 25-kW-Motorantriebssystem mit einem Sechs-Schalter-Active-Front-End (AFE), das mit 45 kHz schaltet, können Designer eine Effizienzsteigerung von 1,3 % in der Front-End-Stufe realisieren, wenn Benchmarks gegen einen Silizium-Wechsel bei 20 kHz gesetzt werden. Eine ähnliche Verbesserung kann im Wechselrichter erzielt werden, wenn das 30-A-Leistungsmodul von Wolfspeed konservativ gegen ein 100-A-Si-IGBT-Modul verglichen wird, beide bei 8 kHz schaltend. Zusammen ergeben diese zwei Änderungen eine beeindruckende Effizienzsteigerung von 2,6 %, 50 % Reduktion der Verluste im gesamten System und helfen einem integrierten Motor, den IE4-Effizienzstandard zu erreichen, da das ursprüngliche System IE3 war.
Eine der bemerkenswertesten Verbesserungen, die im Wechselrichter mit Siliziumkarbid erzielt werden können, ist eine signifikante Reduzierung der systemgenerierten Wärme, wodurch Designer kleinere Kühlkörper verwenden und insgesamt kleinere, leichtere industrielle Motorantriebssysteme entwerfen können.

Abb. 1: 25 kW Wechselrichter, Fsw = 8 kHz, 77 % reduzierter SiC MOSFET Kühlkörper: 0,31L (1,6°C/W) vs. 1,37 L (0,73°C/W)

Die obigen Grafiken zeigen eine Verbesserung der Effizienz beim Einsatz von Wolfspeed’s Siliziumkarbid-Sechspack-WolfPACK™-Modulen im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-IGBT-Modulen in einem 25 kW Wechselrichter mit einem 0,8 L Kühlkörper. Mit zunehmendem Leistungsniveau steigt die Sperrschichttemperatur von Silizium-IGBTs mit 50 A und 100 A, was zu einem Ausfall führt, während Wolfspeed’s 32 A Siliziumkarbid-MOSFETs stabil bleiben und weit unter der Ausfallschwelle liegen.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Effizienzverbesserung nicht nur bei Spitzenlasten, sondern auch bei Teillasten erzielt wird. Bei einigen Teillasten ist die Effizienzverbesserung höher, was ideal zu den typischen Lastprofilen dieser Maschinen passt. Darüber hinaus handelt es sich bei dem getesteten Siliziumkarbid-Bauteil um einen Teil mit niedrigerem Nennstrom und einer Sperrschichttemperatur bei Maximallast von 105°C, wodurch ein erheblicher Puffer geschaffen wird, um das zulässige Systemlimit zu maximieren, während die 50 A IGBT-Module das Limit erheblich überschreiten und die 100 A IGBT bei Maximallast etwas über dem Limit liegt. „Limit“ wird hier als 150°C definiert und basiert auf den üblichen Systemanforderungen für maximal zulässige Sperrschichttemperaturen in solchen Systemen für Leistungsmodulen.

Abb. 2: 25 kW Wechselrichter, Fsw = 8 kHz, größerer Si IGBT-Kühlkörper: 1,37 L (0,7°C/W), kleinerer SiC-Kühlkörper 0,8 L (0,99°C/W)

Um ein tragfähiges, funktionierendes und optimiertes System sicherzustellen, haben wir die Größe des IGBT-Kühlkörpers von 0,8 L auf 1,37 L durch die Verwendung eines anderen Kühlkörpers erhöht und den Siliziumkarbide-Kühlkörper um 61% verkleinert, um sicherzustellen, dass die Übergangstemperatur erhöht wird, um den Puffer zu reduzieren. Dies führte zu einem 77% kleineren Kühlkörper für die Siliziumkarbidlösung im Vergleich zu IGBT. Trotz dieser Modifikationen liegt der 50 A IGBT immer noch deutlich über der Temperaturgrenze von 150°C, während unser 32 A Bauteil und der 100 A IGBT bei der gleichen Übergangstemperatur von etwa 129°C landen. Ebenso bemerkenswert ist, dass die Effizienz im Siliziumkarbidwechselrichter um 1,1% steigt. Zusammenfassend ergibt die Verwendung eines reduzierten und optimierten Kühlkörpers mit Siliziumkarbid in einem mit 3 Phasen versorgten 25 kW-System eine Gesamtwirkungsgradverbesserung von 2,4% mit einer Verringerung der Verluste um 600 W, während immer noch die IE4-Effizienzstandards für einen integrierten Motor erreicht werden, der ursprünglich IE3 war.

Erreichen Sie bis zu 50 % weniger Verluste im gesamten System ohne zusätzliche Kosten

Siliciumkarbid bietet auf Systemebene in industriellen Niederspannungsantrieben einen enormen Wert. Während die Anschaffungskosten eines Siliciumkarbid-Geräts die der herkömmlichen Silizium-IGBTs übersteigen können, bedeuten die höhere Schaltfrequenz und geringere Verluste einen geringeren Investitionsbedarf in passiven Bauteilen und Kühlkörpern.

Dieses optimierte System kann eine Einsparung von bis zu 605 W ergeben, was, wenn man ein wechselndes Lastprofil berücksichtigt, das jährlich für 8200 Stunden betrieben wird, eine jährliche Einsparung von 1.297,8 RMB basierend auf den Stromkosten in China im November 2023 für ein 25 kW-System und im Laufe der nächsten 15 Jahre bis zu ~19.000 RMB akkumulieren kann. Der Austausch von IGBTs durch Siliciumkarbid-Geräte könnte anfangs teurer sein, doch wenn wir die Gesamtkosten des Systems betrachten, wird der höhere Preis von Siliciumkarbid durch eine Reduzierung der passiven Komponenten ausgeglichen, wobei gleichzeitig ein neues Maß an Effizienz für die industriellen Antriebssysteme erreicht wird.

Abb. 3: 25 kW Wechselrichter, FSW = 16 kHz, 41% reduzierter SiC-MOSFET-Kühlkörper: 0,80 L (0,99°C/W) vs 1,37 L (0,73°C/W)

In Abb. 3 unterstützen wir weiterhin, wie Siliziumkarbid eine überlegene Leistung auch bei noch höheren Schaltfrequenzen ermöglicht. Hier erhöhen wir die Schaltfrequenz von 8 kHz auf 16 kHz und verwenden einen 41% kleineren Kühlkörper als den vergleichbaren IGBT-Kühlkörper. Mit Wolfspeed's Siliziumkarbid FM3 Six-Pack Leistungsmodul liegen wir immer noch über oder nahe bei 99% Effizienz und nahe der 150°C Temperaturgrenze bei Spitzenlast. Bei einem 50 A und 100 A IGBT beginnen wir aufgrund erhöhter Schaltverluste bei etwa 10 kW bzw. 15 kW thermisch auszufallen. Um diese höher stromstärkebewerteten IGBTs so effektiv wie Wolfspeed's FM3 Siliziumkarbid-Module arbeiten zu lassen, müssten Designer einen viel größeren Kühlkörper oder höher stromstärkebewertete Bauteile einbeziehen. Interessanterweise ist die Wechselrichtereffizienz mit Siliziumkarbid bei 16 kHz immer noch höher als die Wechselrichtereffizienz mit IGBT bei 8 kHz.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch den Ersatz traditioneller Silizium-IGBTs durch Siliziumkarbid in einem industriellen Niederspannungs-Antriebssystem mit 25 kW eine Effizienzsteigerung von bis zu 2,6% erreicht werden kann. Eine hohe Effizienzsteigerung bei höheren Leistungsstufen ist über das gesamte Lastprofil möglich, was zu enormen Energieeinsparungen führt. Siliziumkarbid bietet auch eine verbesserte Leistungsdichte aufgrund kleinerer passiver Komponenten und Kühlkörper und führt zu einer Optimierung der Gesamtsystemkosten und -größe. Zusätzlich ermöglichen hohe Übergangstemperaturen und die verbesserte Wärmeableitung von SiC-Bauelementen zusammen mit geringeren Verlusten den Designern, kompaktere Systeme zu bauen, die eine einfache Integration von Antrieben und Motoren ermöglichen.

Erfahren Sie mehr darüber, wie Wolfspeed die Entwicklung industrieller Niederspannungs-Antriebssysteme vorantreibt, auf der Wolfspeed-Website.