Comment les modules de puissance Wolfspeed révolutionnent les entraînements de moteurs industriels basse tension triphasés

Selon les estimations les plus conservatrices, les moteurs électriques représentent plus de 50 % de toute l'électricité industrielle utilisée dans le monde, et 45 % de toute l'électricité mondiale. Rendre les systèmes d'entraînement de moteurs industriels ne serait-ce qu'un peu plus efficaces aurait un impact significatif sur la consommation d'énergie mondiale et réduirait l'impact environnemental. Des normes d'efficacité de plus en plus strictes émergent pour répondre à la consommation d'énergie à l'échelle mondiale, posant de nouveaux défis aux concepteurs d'électroniques de puissance.

Le carbure de silicium Wolfspeed constitue une excellente solution pour améliorer l'efficacité des entraînements de moteurs industriels, permettant des gains d'efficacité de 2,4 % et plus en remplaçant simplement les IGBT traditionnels par du carbure de silicium. Une nouvelle conception avec du carbure de silicium peut permettre l'intégration des entraînements et des moteurs pour créer des entraînements industriels embarqués plus petits et légers.

Dans cet article, nous explorerons comment les modules de puissance WolfPACK™ de Wolfspeed permettent une réduction des pertes allant jusqu'à 50 %, tout en permettant de réaliser des entraînements de moteurs industriels triphasés de 25 kW plus petits, plus légers et plus stables thermiquement.

Obtenez une efficacité supérieure avec des dissipateurs de chaleur plus petits grâce au SiC

Un système typique de commande de moteur se compose d'une étape AC-DC (Active Front End) suivie d'une étape DC-AC (onduleur). Dans un système de commande de moteur de 25 kW avec une façade active à six interrupteurs (AFE) commutant à 45 kHz, les concepteurs peuvent réaliser une amélioration de l'efficacité de 1,3 % dans l'étape de la façade lorsqu'on la compare à une solution au silicium commutant à 20 kHz. Une amélioration similaire peut être obtenue dans l'onduleur lorsque le module de puissance de 30 A de Wolfspeed est comparé de manière conservatrice à un module Si-IGBT de 100 A, les deux commutant à 8 kHz. Ensemble, ces deux changements produisent une amélioration impressionnante de 2,6 % de l'efficacité, une réduction de 50 % des pertes dans tout le système, et aident un moteur intégré à atteindre la norme d'efficacité IE4 alors que le système d'origine était IE3.
L'une des améliorations les plus remarquables qui peuvent être réalisées dans l'onduleur avec le carbure de silicium est une réduction significative de la chaleur générée par le système, permettant aux concepteurs d'utiliser des dissipateurs de chaleur plus petits et de concevoir des systèmes de commande de moteurs industriels plus petits et plus légers.

Fig. 1 : Onduleur 25 kW, Fsw = 8 kHz, dissipateur thermique MOSFET SiC réduit de 77 % : 0,31 L (1,6°C/W) vs. 1,37 L (0,73°C/W)

Les graphiques ci-dessus démontrent une amélioration de l'efficacité lors de l'utilisation des modules WolfPACK™ en carbure de silicium six-pack de Wolfspeed par rapport aux modules traditionnels en silicium IGBT dans un onduleur de 25 kW avec un dissipateur thermique de 0,8 L. À mesure que le niveau de puissance augmente, la température de jonction des IGBT en silicium de 50 A et 100 A augmente, provoquant leur défaillance, tandis que les MOSFETs en carbure de silicium de 32 A de Wolfspeed restent stables et bien en dessous du seuil de défaillance.
Il est important de noter que l'amélioration de l'efficacité ci-dessus n'est pas seulement aux charges de pointe mais aussi aux charges partielles. À certaines charges partielles, l'amélioration de l'efficacité est plus élevée, ce qui convient idéalement aux profils de charge typiques de ces machines. De plus, le dispositif en carbure de silicium testé est une pièce avec une évaluation de courant plus faible et une température de jonction à charge maximale de 105°C, créant une marge significative pour maximiser la limite permise du système, tandis que les modules IGBT de 50 A dépassent significativement la limite et les modules IGBT de 100 A sont légèrement au-dessus de la limite à charge maximale. Le «limite» ici est définie comme 150°C et est basée sur les exigences habituelles du système pour les températures de jonction maximales autorisées dans de tels systèmes pour les modules de puissance.

Fig. 2 : onduleur 25 kW, Fsw = 8 kHz, dissipateur thermique Si IGBT plus grand : 1,37 L (0,7°C/W), dissipateur thermique SiC plus petit 0,8 L (0,99°C/W)

Pour garantir un système viable, fonctionnel et optimisé, nous avons augmenté la taille du dissipateur thermique du IGBT de 0,8 L à 1,37 L en utilisant un dissipateur thermique différent et réduit le dissipateur thermique en carbure de silicium de 61 % pour s'assurer que sa température de jonction est augmentée pour réduire la marge de sécurité. Cela a entraîné une réduction de 77 % du dissipateur thermique pour la solution en carbure de silicium par rapport au IGBT. Malgré ces modifications, le IGBT de 50 A reste significativement au-dessus de la limite de température de 150 °C, mais notre pièce de 32 A et le IGBT de 100 A atteignent la même température de jonction d'environ 129 °C. Il est également à noter que l'efficacité de l'onduleur en carbure de silicium augmente de 1,1 %. En résumé, l'utilisation d'un dissipateur thermique réduit et plus optimisé avec le carbure de silicium dans un système de 25 kW alimenté en triphasé aboutit à une amélioration globale de l'efficacité de 2,4 % avec une réduction des pertes de 600 W tout en atteignant les normes d'efficacité IE4 pour un moteur intégré qui était initialement IE3.

Réduisez les pertes du système jusqu'à 50% sans coût supplémentaire

Le carbure de silicium présente une valeur considérable au niveau du système dans les entraînements de moteurs à basse tension industriels. Bien que le coût initial d'un dispositif en carbure de silicium puisse dépasser celui des IGBT en silicium traditionnels, la fréquence de commutation plus élevée et les pertes réduites signifient moins d'investissement dans les composants passifs et les dissipateurs de chaleur.
Ce système optimisé peut entraîner une économie allant jusqu'à 605 W, ce qui, en tenant compte d'un profil de charge varié fonctionnant annuellement pendant 8200 heures, se traduirait par une économie annuelle de 1 297,8 RMB basée sur les coûts de l'électricité en Chine à partir de novembre 2023 pour un système de 25 kW et accumuler jusqu'à ~19 000 RMB au cours des 15 prochaines années. Remplacer les IGBT par des dispositifs en carbure de silicium peut être plus coûteux à l'avance, mais lorsque nous considérons le coût global du système, le coût plus élevé du carbure de silicium est compensé par une réduction des composants passifs tout en atteignant un nouveau niveau d'efficacité pour les systèmes d'entraînement de moteur industriel en même temps.

Fig. 3 : Inverseur de 25 kW, FSW = 16 kHz, dissipateur thermique SiC MOSFET réduit de 41 % : 0,80 L (0,99°C/W) contre 1,37 L (0,73°C/W)

Dans la Fig. 3 nous soutenons davantage comment le carbure de silicium permet des performances supérieures à des fréquences de commutation encore plus élevées. Ici, nous augmentons la fréquence de commutation de 8 kHz à 16 kHz et utilisons un dissipateur thermique 41% plus petit que le dissipateur thermique IGBT comparable. Avec le module de puissance six-pack FM3 en carbure de silicium de Wolfspeed, nous restons au-dessus ou proches de 99% d'efficacité et proches de la limite de température de 150 °C à pleine charge. Avec un IGBT de 50 A et 100 A, nous commençons à échouer thermiquement à environ 10 kW et 15 kW respectivement, en raison des pertes de commutation accrues. Pour rendre ces IGBT de courant plus élevé aussi performants que les modules FM3 en carbure de silicium de Wolfspeed, les concepteurs devraient inclure un dissipateur thermique beaucoup plus grand ou des pièces de courant nominal plus élevé. Fait intéressant, l'efficacité de l'onduleur avec le carbure de silicium à 16 kHz est encore plus élevée que l'efficacité de l'onduleur avec l'IGBT à 8 kHz.

Conclusion

En conclusion, le remplacement des IGBT en silicium traditionnels par du carbure de silicium peut permettre d'améliorer l'efficacité globale jusqu'à 2,6 % dans un système de motorisation industrielle basse tension de 25 kW. Une amélioration significative de l'efficacité à des niveaux de puissance plus élevés est possible tout au long du profil de charge, entraînant des économies d'énergie considérables. Le carbure de silicium offre également une densité de puissance améliorée grâce à des composants passifs et dissipateurs de chaleur plus petits et conduit à une optimisation des coûts et de la taille du système global. De plus, les possibilités de haute température de jonction et la dissipation thermique améliorée des dispositifs SiC, ainsi que des pertes réduites, permettent aux concepteurs de créer des systèmes plus compacts, facilitant l'intégration facile des entraînements et des moteurs.

En savoir plus sur la façon dont Wolfspeed alimente l'évolution des moteurs industriels basse tension sur le site Web de Wolfspeed.