Wie Wolfspeed-Leistungsmodule die 3-phasigen industriellen Niederspannungs-Motorantriebe revolutionieren

Nach den konservativsten Schätzungen machen Elektromotoren mehr als 50 % des weltweit genutzten industriellen Stroms und 45 % des gesamten globalen Stromverbrauchs aus. Selbst eine geringfügige Steigerung der Effizienz von industriellen Motorantriebssystemen würde erhebliche Auswirkungen auf den globalen Energieverbrauch haben und die Umweltbelastung verringern. Immer strengere Effizienzstandards entwickeln sich, um den globalen Energieverbrauch zu adressieren, und stellen neue Herausforderungen für Entwickler von Leistungselektronik dar.

Wolfspeed Siliziumkarbid bietet eine hervorragende Lösung zur Steigerung der Effizienz bei industriellen Motorantrieben, indem Effizienzgewinne von 2,4 % und höher allein durch den Austausch traditioneller IGBTs mit Siliziumkarbid ermöglicht werden. Eine weitere Neugestaltung mit Siliziumkarbid kann die Integration von Antrieben und Motoren ermöglichen, um kleinere, leichtere eingebettete Industrieantriebe zu schaffen.

In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie Wolfspeed’s WolfPACK™ Leistungsmodule eine Reduzierung der Verluste um bis zu 50 % ermöglichen, während gleichzeitig kleinere, leichtere und thermisch stabilere eingebettete 25 kW dreiphasige niedervoltige industrielle Motorantriebe realisiert werden.

Erreichen Sie höhere Effizienz mit kleineren Kühlkörpern durch SiC

Ein typisches Motorantriebssystem besteht aus einer AC-DC-Stufe (Active Front End) gefolgt von einer DC-AC-Stufe (Wechselrichter). In einem 25-kW-Motorantriebssystem mit einem sechsschalterigen Active Front End (AFE), das mit 45 kHz schaltet, können Entwickler eine Effizienzverbesserung von 1,3 % in der Front-End-Stufe realisieren, wenn diese mit einem Siliziumsystem verglichen wird, das mit 20 kHz schaltet. Eine ähnliche Verbesserung kann im Wechselrichter erzielt werden, wenn das 30-A-Leistungsmodul von Wolfspeed konservativ gegen ein 100-A-Si-IGBT-Modul getestet wird, wobei beide mit 8 kHz schalten. Zusammen ergeben diese beiden Änderungen eine beeindruckende Effizienzsteigerung von 2,6 %, eine Reduktion der Verluste um 50 % im gesamten System und helfen einem integrierten Motor, den IE4-Effizienzstandard zu erreichen, da das ursprüngliche System den Standard IE3 erfüllte.
Eine der bemerkenswertesten Verbesserungen, die mit Siliziumkarbid im Wechselrichter erzielt werden können, ist die signifikante Reduktion der systemgenerierten Wärme, wodurch Entwickler kleinere Kühlkörper verwenden und insgesamt kleinere, leichtere industrielle Motorantriebssysteme entwerfen können.

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

Die oben gezeigten Grafiken verdeutlichen eine Effizienzsteigerung beim Einsatz der Wolfspeed-Siliciumkarbid-Sechspack-WolfPACK™-Module im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-IGBT-Modulen in einem 25-kW-Wechselrichter mit einem 0,8-L-Kühlkörper. Mit steigendem Leistungsniveau erhöht sich die Sperrschichttemperatur von 50 A und 100 A bewerteten Silizium-IGBTs, was zu deren Ausfall führt, während die 32 A-Siliciumkarbid-MOSFETs von Wolfspeed stabil bleiben und deutlich unterhalb der Ausfallgrenze bleiben.
Es ist wichtig anzumerken, dass die oben gezeigte Effizienzsteigerung nicht nur bei Spitzenlasten auftritt, sondern auch bei Teillasten. Bei einigen Teillasten ist die Effizienzsteigerung sogar höher, was ideal auf die typischen Lastprofile dieser Maschinen abgestimmt ist. Zusätzlich ist das getestete Siliciumkarbid-Bauteil ein Bauteil mit niedrigerer Strombewertung und weist bei maximaler Last eine Sperrschichttemperatur von 105°C auf, was einen erheblichen Puffer schafft, um das zulässige Systemlimit maximal auszuschöpfen. Im Gegensatz dazu liegt das 50 A-IGBT-Modul deutlich über dem Limit und das 100 A-IGBT-Modul leicht über dem Limit bei maximaler Last. Der „Limitwert“ wird hier als 150°C definiert und basiert auf den üblichen Systemanforderungen für maximal zulässige Sperrschichttemperaturen in solchen Systemen für Leistungsmodule.

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 funktionsfähiges, leistungsfähiges und optimiertes System zu gewährleisten, haben wir die Größe des IGBT-Kühlkörpers von 0,8 L auf 1,37 L vergrößert, indem wir einen anderen Kühlkörper verwendet haben, und den Siliziumkarbid-Kühlkörper um 61 % reduziert, um sicherzustellen, dass seine Sperrschichttemperatur erhöht wird, um den Puffer zu reduzieren. Dies führte zu einem 77 % kleineren Kühlkörper für die Siliziumkarbid-Lösung im Vergleich zu IGBT. Trotz dieser Modifikationen liegt der 50-A-IGBT immer noch deutlich über dem Temperaturgrenzwert von 150 °C, aber unser 32-A-Bauteil und der 100-A-IGBT erreichen dieselbe Sperrschichttemperatur von etwa 129 °C. Ebenfalls bemerkenswert ist, dass die Effizienz im Siliziumkarbid-Wechselrichter um 1,1 % steigt. Zusammenfassend ergibt sich durch die Verwendung eines reduzierten und optimierteren Kühlkörpers mit Siliziumkarbid in einem dreiphasig versorgten 25-kW-System eine Gesamtwirkungsgradverbesserung von 2,4 % mit einer Verlustreduzierung von 600 W, wobei weiterhin die IE4-Wirkungsgradstandards für einen integrierten Motor erfüllt werden, der ursprünglich den IE3-Standard hatte.

Erreichen Sie systemweit bis zu 50 % weniger Verluste ohne zusätzliche Kosten

Siliziumkarbid bietet auf Systemebene einen enormen Mehrwert bei industriellen Niederspannungsantrieben. Während die Anschaffungskosten eines Siliziumkarbid-Bauteils höher sein können als die herkömmlicher Silizium-IGBTs, führen die höhere Schaltfrequenz und die geringeren Verluste zu geringeren Investitionen in passive Bauelemente und Kühlkörper.
Dieses optimierte System kann eine Einsparung von bis zu 605 W ermöglichen. Unter Berücksichtigung eines variablen Lastprofils, das jährlich 8200 Stunden läuft, würde dies bei den Stromkosten in China im November 2023 zu einer jährlichen Einsparung von 1.297,8 RMB führen (für ein 25-kW-System) und sich über die nächsten 15 Jahre auf ~19.000 RMB summieren. Der Austausch von IGBTs gegen Siliziumkarbid-Bauteile mag initial teurer erscheinen, aber wenn man die Gesamtsystemkosten betrachtet, wird der höhere Preis für Siliziumkarbid durch Einsparungen bei den passiven Bauelementen wettgemacht, wobei gleichzeitig ein neues Maß an Effizienz für industrielle Motorantriebssysteme erreicht wird.

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

In Abb. 3 zeigen wir zusätzlich, wie Siliziumkarbid eine überlegene Leistung bei noch höheren Schaltfrequenzen ermöglicht. Hier erhöhen wir die Schaltfrequenz von 8 kHz auf 16 kHz und verwenden einen um 41 % kleineren Kühlkörper als den vergleichbaren IGBT-Kühlkörper. Mit Wolfspeed’s Siliziumkarbid-FM3-Sechserpack-Leistungsmodule bleiben wir weiterhin über oder nahe bei 99 % Effizienz und nahe an der Temperaturgrenze von 150° C bei Spitzenlast. Mit einem 50 A und 100 A IGBT scheitern wir thermisch bereits bei etwa 10 kW bzw. 15 kW aufgrund erhöhter Schaltverluste. Um diese höher strombewerteten IGBTs genauso effektiv wie Wolfspeed’s FM3-Siliziumkarbidmodule zu gestalten, müssten Designer einen deutlich größeren Kühlkörper oder höher strombewertete Teile verwenden. Interessanterweise ist die Wechselrichtereffizienz mit Siliziumkarbid bei 16 kHz immer noch höher als die Wechselrichtereffizienz mit IGBT bei 8 kHz.

Fazit

Abschließend lässt sich sagen, dass der Austausch herkömmlicher Silizium-IGBTs durch Siliziumkarbid in einem 25 kW Industrie-Niederspannungs-Motorantriebssystem eine Gesamteffizienzsteigerung von bis zu 2,6 % erzielen kann. Eine erhebliche Effizienzsteigerung bei höheren Leistungsstufen ist über das gesamte Lastprofil hinweg möglich, was zu enormen Energieeinsparungen führt. Siliziumkarbid bietet zudem eine verbesserte Leistungsdichte durch kleinere passive Komponenten und Kühlkörper, was zu einer Optimierung der Gesamtkosten und der Größe des Systems führt. Darüber hinaus ermöglichen hohe Übergangstemperaturen und eine verbesserte Wärmeableitung von SiC-Bauteilen zusammen mit geringeren Verlusten den Entwicklern, kompaktere Systeme zu gestalten, die eine einfache Integration von Antrieben und Motoren ermöglichen.
Erfahren Sie mehr darüber, wie Wolfspeed die Weiterentwicklung von Industrie-Niederspannungs-Motorantrieben vorantreibt, auf der Wolfspeed-Website.