Cómo los módulos de potencia Wolfspeed están revolucionando los accionamientos de motores industriales de baja tensión en 3 fases

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 global de energía y reduciría el impacto ambiental. Están surgiendo estándares de eficiencia cada vez más estrictos para abordar el consumo de energía a nivel global, lo que plantea nuevos desafíos a 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, permitiendo aumentos de eficiencia de un 2.4% o más simplemente reemplazando los IGBTs tradicionales con carburo de silicio. Un rediseño adicional con carburo de silicio puede posibilitar la integración de accionamientos y motores para crear accionamientos industriales embebidos más pequeños y ligeros.

En este artículo exploraremos cómo los módulos de potencia WolfPACK™ de Wolfspeed logran una reducción de hasta el 50% en pérdidas mientras permiten accionamientos de motor industriales trifásicos de baja tensión embebidos de 25 kW más pequeños, ligeros y con mayor estabilidad térmica.

Logre 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 25 kW 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 del front-end al compararlo con un sistema de silicio conmutando a 20 kHz. Se puede lograr una mejora similar en el inversor cuando el módulo de potencia de 30 A de Wolfspeed se evalúa de manera conservadora frente a un módulo Si-IGBT de 100 A, ambos conmutando a 8 kHz. Juntos, estos dos cambios logran una impresionante mejora del 2,6% en la eficiencia, una reducción del 50% en las pérdidas a nivel del sistema y ayudan a que un motor integrado alcance el estándar de eficiencia IE4, dado que el sistema original era IE3.
Una de las mejoras más destacadas 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 motores industriales más pequeños y ligeros.

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

Los gráficos anteriores demuestran una mejora en la eficiencia al usar los módulos WolfPACK™ de carburo de silicio de seis paquetes de Wolfspeed en comparación con los módulos IGBT de silicio tradicionales en un inversor de 25 kW con un disipador térmico de 0.8 L. A medida que aumenta el nivel de potencia, la temperatura de unión de los IGBT de silicio clasificados en 50 A y 100 A aumenta, causando su fallo, mientras que los MOSFET de carburo de silicio de 32 A de Wolfspeed permanecen estables y muy por debajo del umbral de fallo.
Es importante señalar que la mejora de eficiencia mencionada anteriormente no se limita solo a cargas máximas, sino también a cargas parciales. En algunas cargas parciales, la mejora de eficiencia es mayor, lo que es ideal para los perfiles de carga típicos de estas máquinas. Además, el dispositivo de carburo de silicio probado es una pieza de menor clasificación de corriente 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. "Límite" aquí se define como 150°C y se basa en los requisitos usuales del sistema para temperaturas de unión máximas permitidas en dichos sistemas para módulos de potencia.

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

Para garantizar un sistema viable, funcional y optimizado, aumentamos el tamaño del disipador térmico del IGBT de 0,8 L a 1,37 L utilizando un disipador térmico diferente y redujimos el disipador térmico de carburo de silicio en un 61% para asegurar que su temperatura de unión se incrementara y así reducir el buffer. Esto resultó en un disipador térmico un 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 sigue 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 un 1,1%. En resumen, el uso de un disipador térmico reducido y más optimizado con carburo de silicio en un sistema de 25 kW alimentado por 3 fases da como resultado una mejora de eficiencia general del 2,4% con una reducción de 600 W en las pérdidas, mientras se logra cumplir con los estándares de eficiencia IE4 para un motor integrado que inicialmente era IE3.

Logre 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 variadores de velocidad de motores industriales de baja tensión. Aunque el costo inicial de un dispositivo de carburo de silicio pueda exceder al de los IGBTs de silicio tradicionales, la mayor frecuencia de conmutación y las menores pérdidas implican una inversión menor 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 según los costos de electricidad en China a noviembre de 2023 para un sistema de 25 kW y podría acumular hasta ~19,000 RMB en los próximos 15 años. Reemplazar IGBTs con dispositivos de carburo de silicio puede ser más costoso al inicio, pero si 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 finales de variadores de motores industriales.

Fig. 3: Inversor de 25 kW, FSW = 16 kHz, disipador de calor de MOSFET de SiC reducido en un 41%: 0,80 L (0,99°C/W) frente a 1,37 L (0,73°C/W)

En la Fig. 3 apoyamos aún más cómo el carburo de silicio está permitiendo un rendimiento superior incluso a frecuencias de conmutación más altas. Aquí aumentamos la frecuencia de conmutación de 8 kHz a 16 kHz y utilizamos un disipador térmico un 41% más pequeño que el disipador térmico comparable de IGBT. Con el módulo de potencia de seis paquetes FM3 de carburo de silicio de Wolfspeed, seguimos estando 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 las pérdidas de conmutación. Para que estos IGBT con una clasificación de corriente más alta funcionen tan efectivamente como los módulos de carburo de silicio FM3 de Wolfspeed, los diseñadores necesitarían incluir un disipador térmico mucho más grande o piezas con una clasificación de corriente más alta. Curiosamente, la eficiencia del inversor con carburo de silicio a 16kHz sigue siendo mayor que la eficiencia del inversor con IGBT a 8kHz.

Conclusión

En conclusión, reemplazar los IGBTs de silicio tradicionales con carburo de silicio puede lograr mejoras de eficiencia general de hasta un 2.6% en un sistema de accionamiento de motor industrial de baja tensión de 25 kW. Es posible lograr una mejora significativa en la eficiencia a niveles de potencia más altos a lo largo del perfil de carga, resultando en enormes ahorros de energía. El carburo de silicio también ofrece una mayor densidad de potencia debido a componentes pasivos y disipadores de calor más pequeños, lo que lleva a una optimización del costo y tamaño general del sistema. Además, las posibilidades de alta 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 integración sencilla de los accionamientos y motores.

Obtén más información sobre cómo Wolfspeed está impulsando la evolución de los accionamientos de motores industriales de baja tensión en el sitio web de Wolfspeed.