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馬達變頻器內的關鍵元件: 功率半導體
[作者 Michael Ebli]   2021年04月20日 星期二 瀏覽人次: [1719]

全球有約 30% 的發電量用於驅動工業應用中的馬達,而全球工業產業消耗的能源量預期到 2040 年將成長一倍。隨著對能源成本和資源有限的意識不斷提高,未來提升驅動馬達用電效率的需求將會越來越顯著。


電動馬達型塑了世界的面貌,且將繼續從各個層面改變世界,包括從可以自動執行簡單家庭功能的小型馬達,到名副其實能搬動整座山的重型馬達都有。目前使用中的電動馬達的數量和種類極其驚人,要知道電動馬達及其控制系統幾乎佔了全球一半的耗電量,這可一點都不足為奇。


進一步細看,全球有約 30% 的發電量用於驅動工業應用中的馬達 [1]。絕對而言,全球工業產業消耗的能源量預期到 2040 年將成長一倍。隨著對能源成本和資源有限的意識不斷提高,從環境和財務這兩個方面來看,提升驅動馬達用電效率的需求只會越來越顯著。


低電壓驅動器──需求和要求

從市場(標準型和精簡型) 的低電壓區隔來看,其應用可分為輕型或重型兩種。以驅動器而言,其主要差異在於,諸如幫浦和風扇等應用於短暫的加速期間,輕型馬達和控制系統的變頻器輸出電流通常必須維持在 110% 的超載(圖 1)。重型馬達和控制系統的設計,一般則需要能承受高達變頻器額定電流150% 的過載。較高的過載電流大多是為了因應在其餘事物中傳送帶加速階段的需求。



圖1 : 過載能力係指在110%(輕型/正常負載)至150%(重型負載)加速運作時電流高於額定值的期間。
圖1 : 過載能力係指在110%(輕型/正常負載)至150%(重型負載)加速運作時電流高於額定值的期間。

適用於驅動器的 IGBT7

馬達驅動系統有著獨特的特定要求,需要採用全新的IGBT設計方法。採用正確的IGBT技術,才可能打造出符合這些需求的模組。因此英飛凌採用了最新一代 IGBT技術:IGBT7。IGBT7在晶片層級使用了微圖案溝槽(MPT),其結構明顯有助於降低正向電壓並提高漂移區的導電率。對於馬達驅動器等有著適中切換頻率的應用,IGBT7 與前幾代產品相比,則能顯著降低損耗 [2]。


IGBT7 比前一代產品(IGBT4)更出色的另一項優點則是飛輪二極體,同樣針對驅動應用進行了最佳化。此外,射極控制二極體 EC7 的正向壓降現在比EC4二極體的正向壓降少了100 mV,反向恢復柔軟度更為優異。


適用於伺服驅動器的 SiC MOSFET

隨著各產業使用越來越多的自動化功能,對伺服馬達的需求也相應提高。它們將精準的運動控制與高扭力相結合,非常適合用於自動化和機器人技術。


英飛凌憑藉其在製造上的專業知識和長期以來的經驗,開發了一種 SiC 溝槽技術,此技術比IGBT具有更高的效能,且相當耐用,例如短路時間僅有2 μs [3] 或甚至3 μs [4]。英飛凌的CoolSiC? MOSFET同時也解決了SiC裝置固有的一些潛在問題,例如非預期的電容導通。此外,SiC MOSFET採用符合產業標準的 TO247-3 封裝,現在採用的 TO247-4 封裝甚至具有更優異的開關效能。除了這些TO封裝,SiC MOSFET也提供Easy 1B和Easy 2B封裝。


對比於相應的IGBT替代選項,1200 V CoolSiC? MOSFET的開關損耗最高降低80%,且還有損耗不受溫度影響的附加優勢。不過,如同IGBT7,也可以透過閘極電阻控制開關行為(dv/dt),帶來更出色的設計彈性。



圖2 : SiC MOSFET可簡化馬達內的變頻器整合 [5]
圖2 : SiC MOSFET可簡化馬達內的變頻器整合 [5]

因此,採用CoolSiC? MOSFET 技術的驅動解決方案由於恢復、導通、關斷和導通損耗都更為降低,整體損耗可降低高達50%(假設 dv/dt類似)。尤其在輕負載狀況下,CoolSiC? MOSFET 的傳導損耗也比 IGBT 更低。


除了整體來說更高的效率和更低的損耗以外,SiC 技術還可以達到更高的開關頻率,對動態控制環境中的外部和整合伺服驅動器都有直接的效益。而這全都是得益於,在馬達負載不斷變化的狀況下,馬達電流的回應速度更快所致。


全面整合

將整流器、斬波器和變頻器整合到單一模組,能在功率密度和切換效率上發揮優勢,但馬達驅動器同時也需要封閉迴路系統才能正確有效地發揮作用。


更具體而言,無論使用何種開關技術,都必須要有適當的閘極驅動器解決方案。要透過閘極驅動器,才能將用於打開和關閉開關裝置的低電壓控制訊號轉換為開關本身所需要的高電壓驅動訊號。一般來說,控制訊號將來自主機處理器。但由於每種開關技術在輸入電容和驅動電位方面都有其獨特的特性,因此必須將其與適當的閘極驅動器相匹配。英飛凌為 Si MOSFET、Si IGBT、SiC MOSFET 和 GaN-HEMT 提供經過最佳化的閘極驅動器。


控制迴路中最後一個但同等重要的元件是感測器,感測器也為馬達和控制器之間提供部分的反饋,大多透過使用電流感測器來達成。英飛凌開發了一款霍爾效應解決方案,能免去使用鐵磁集中器,讓設計變得更簡單且干擾更少,是全整合伺服馬達的理想選擇。


XENSIV?系列電流感測器(例如 TLI4971)為差分型的霍爾電流感測器,可提供高磁場範圍和低偏移值。此外,這些裝置沒有磁滯現象,並具有良好的雜散場抗擾性。由於採用無核心概念,使其可達到小巧的尺寸,支援高整合度,加上具有超低功率損耗和功能性隔離,極其彈性可靠。


參考資料


[1] https://www.globalefficiencyintel.com/new-blog/2017/infographic-energy-industrial-motor-systems


[2] Application Note “TRENCHSTOP? 1200 V IGBT7”, https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN_201814_Trenchstop_1200V_IGBT7-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46265487f7b01656b173ddc3600


[3] Datasheet FF45MR12W1M1_B11 Revision 2.2, 2020-03-27, https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-FF45MR12W1M1_B11-DataSheet-v02_02-EN.pdf?fileId=5546d46266f85d6301670c714a15315c


[4] Datasheet IMW120R030M1H Revision 2.1, 2019-12-10, https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IMW120R030M1H-DataSheet-v02_01-EN.pdf?fileId=5546d46269e1c019016a92fde38b669a


[5] H. Weng, et. al, “An integrated servo motor drive with self-cooling design by using SiC-MOSFET” Proc. PCIM Asia, 2020, in press


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