Cómo los módulos de potencia de Wolfspeed están revolucionando los variadores de motor industrial de baja tensión trifásicos

Según las estimaciones más conservadoras, los motores eléctricos representan más del 50% de toda la electricidad industrial utilizada a nivel mundial y el 45% de toda la electricidad global. Hacer que los sistemas de accionamiento de motores industriales sean incluso un poco más eficientes tendría un impacto significativo en el consumo de energía global y reduciría el impacto ambiental. Están surgiendo estándares de eficiencia cada vez más estrictos para abordar el consumo de energía a nivel mundial, lo que plantea nuevos desafíos para los diseñadores de electrónica de potencia.

El carburo de silicio de Wolfspeed ofrece una excelente solución para mejorar la eficiencia en los accionamientos de motores industriales al permitir ganancias de eficiencia del 2,4% o más simplemente reemplazando los IGBTs tradicionales con carburo de silicio. Un rediseño adicional con carburo de silicio puede permitir la integración de accionamientos y motores para crear accionamientos industriales integrados más pequeños y ligeros.
En este artículo exploraremos cómo los módulos de potencia WolfPACK™ de Wolfspeed reducen las pérdidas hasta en un 50% mientras permiten accionamientos de motor trifásicos industriales de baja tensión de 25 kW más pequeños, ligeros y con mayor estabilidad térmica.

Logra mayor eficiencia con disipadores de calor más pequeños con SiC

Un sistema típico de accionamiento de motor consta de una etapa AC-DC (Active Front End) seguida de una etapa DC-AC (inversor). En un sistema de accionamiento de motor de 25kW con un Active Front End (AFE) de seis interruptores conmutando a 45 kHz, los diseñadores pueden lograr una mejora del 1.3% en la eficiencia de la etapa frontal al comparar con un silicio conmutando a 20kHz. Se puede lograr una mejora similar en el inversor cuando el módulo de potencia de 30 A de Wolfspeed se compara conservadoramente con un módulo de 100 A Si-IGBT, ambos conmutando a 8 kHz. Juntas, estas dos modificaciones generan una impresionante mejora del 2.6% en la eficiencia, una reducción del 50% en las pérdidas del sistema en general, y ayudan a un motor integrado a alcanzar el estándar de eficiencia IE4, dado que el sistema original era IE3.
Una de las mejoras más notables que se pueden lograr en el inversor con carburo de silicio es una reducción significativa en el calor generado por el sistema, lo que permite a los diseñadores usar disipadores de calor más pequeños y diseñar sistemas de accionamiento de motor industriales más pequeños y ligeros.

Fig. 1: Inversor de 25 kW, Fsw = 8 kHz, disipador de calor de SiC MOSFET reducido en un 77%: 0.31L (1.6°C/W) frente a 1.37 L (0.73°C/W)

Los gráficos anteriores demuestran una mejora en la eficiencia al usar los módulos WolfPACK™ de pack de seis de carburo de silicio de Wolfspeed frente a los módulos IGBT de silicio tradicionales en un inversor de 25 kW con un disipador de calor de 0.8 L. A medida que aumenta el nivel de potencia, la temperatura de unión de los IGBT de silicio de 50 A y 100 A aumenta, provocando fallos, mientras que los MOSFETs de carburo de silicio de 32 A de Wolfspeed permanecen estables y muy por debajo del umbral de fallo.
Es importante destacar que la mejora en la eficiencia mencionada no solo se produce a cargas máximas, sino también a cargas parciales. En algunas cargas parciales, la mejora en la eficiencia es mayor, lo cual es ideal para los perfiles típicos de carga de estas máquinas. Además, el dispositivo de carburo de silicio que se está probando es una pieza de menor corriente nominal con una temperatura de unión a carga máxima de 105°C, creando un margen significativo para maximizar el límite permisible del sistema, mientras que los módulos IGBT de 50 A están significativamente por encima del límite y los de 100 A están ligeramente por encima del límite a carga máxima. Aquí, "límite" se define como 150°C y se basa en los requisitos habituales del sistema para las temperaturas máximas de unión permitidas en tales sistemas para módulos de potencia.

Fig. 2: Inversor de 25 kW, Fsw = 8 kHz, disipador de calor Si IGBT más grande: 1.37 L (0.7°C/W), disipador de calor SiC más pequeño 0.8 L (0.99°C/W)

Para garantizar un sistema viable, funcional y optimizado, aumentamos el tamaño del disipador de calor del IGBT de 0.8 L a 1.37 L utilizando un disipador de calor diferente y redujimos el disipador de calor de carburo de silicio en un 61% para asegurar que su temperatura de unión se incremente y se reduzca el búfer. Esto resultó en un disipador de calor 77% más pequeño para la solución de carburo de silicio en comparación con el IGBT. A pesar de estas modificaciones, el IGBT de 50 A todavía está significativamente por encima del límite de temperatura de 150°C, pero nuestra parte de 32 A y el IGBT de 100 A terminan en la misma temperatura de unión de alrededor de 129°C. También es destacable que la eficiencia en el inversor de carburo de silicio aumenta en un 1.1%. En resumen, el uso de un disipador de calor reducido y más optimizado con carburo de silicio en un sistema de alimentación de 3 fases de 25 kW resulta en una mejora general del 2.4% en eficiencia con una reducción de 600 W en pérdidas, mientras se alcanza el estándar de eficiencia IE4 para un motor integrado que inicialmente era IE3.

Logra hasta un 50% menos de pérdidas en todo el sistema sin costo adicional

El carburo de silicio presenta un valor tremendo a nivel de sistema en los accionamientos de motores industriales de bajo voltaje. Aunque el costo inicial de un dispositivo de carburo de silicio pueda superar al de los IGBTs de silicio tradicionales, la mayor frecuencia de conmutación y las menores pérdidas implican menos inversión en pasivos y disipadores de calor.

Este sistema optimizado puede resultar en un ahorro de hasta 605 W, lo que, considerando un perfil de carga variado que opera anualmente durante 8200 horas, resultaría en un ahorro anual de 1,297.8 RMB basado en los costos de electricidad en China hasta noviembre de 2023 para un sistema de 25 kW, acumulando hasta ~19,000 RMB en los próximos 15 años. Reemplazar los IGBTs con dispositivos de carburo de silicio podría ser más caro inicialmente, pero cuando consideramos el costo total del sistema, el mayor costo del carburo de silicio se compensa con una reducción en pasivos, logrando al mismo tiempo un nuevo nivel de eficiencia para los sistemas de accionamiento de motores industriales.

Fig. 3: Inversor de 25 kW, FSW = 16 kHz, disipador de calor del MOSFET SiC reducido en un 41%: 0.80 L (0.99°C/W) vs 1.37 L (0.73°C/W)

En Fig. 3 apoyamos aún más cómo el carburo de silicio está permitiendo un rendimiento superior a frecuencias de conmutación incluso más altas. Aquí aumentamos la frecuencia de conmutación de 8 kHz a 16 kHz y usamos un disipador de calor un 41% más pequeño que el disipador de calor IGBT comparable. Con el módulo de potencia de seis paquetes FM3 de carburo de silicio de Wolfspeed todavía estamos por encima o cerca del 99% de eficiencia y cerca del límite de temperatura de 150° C a carga máxima. Con un IGBT de 50 A y 100 A comenzamos a fallar térmicamente alrededor de 10 kW y 15 kW respectivamente, debido al aumento de pérdidas de conmutación. Para hacer que estos IGBTs con clasificación de corriente más alta funcionen tan eficazmente como los módulos de carburo de silicio FM3 de Wolfspeed, los diseñadores necesitarían incluir un disipador de calor mucho más grande o partes con clasificación de corriente más alta. Curiosamente, la eficiencia del inversor con carburo de silicio a 16 kHz sigue siendo mayor que la eficiencia del inversor con IGBT a 8 kHz.

Conclusión

En conclusión, reemplazar los IGBT tradicionales de silicio con carburo de silicio puede lograr hasta un 2.6% de mejora en la eficiencia general en un sistema de accionamiento de motor industrial de baja tensión de 25 kW. La mejora de la eficiencia a niveles de potencia más altos es posible a lo largo del perfil de carga, lo que resulta en grandes ahorros de energía. El carburo de silicio también ofrece una mejor densidad de potencia debido a componentes pasivos y disipadores de calor más pequeños, lo que lleva a la optimización del costo y tamaño del sistema en general. Además, las altas posibilidades de temperatura de unión y la mejor disipación térmica de los dispositivos SiC junto con menores pérdidas permiten a los diseñadores construir sistemas más compactos, facilitando una fácil integración de accionamientos y motores.

Aprende más sobre cómo Wolfspeed está impulsando la evolución de los accionamientos de motor de baja tensión industrial en el sitio web de Wolfspeed.