Come i moduli di potenza Wolfspeed stanno rivoluzionando i drive motore a bassa tensione trifase industriali

Secondo le stime più conservative, i motori elettrici rappresentano oltre il 50% di tutta l'elettricità industriale utilizzata a livello globale e il 45% dell'elettricità globale totale. Rendere i sistemi di azionamento dei motori industriali anche solo leggermente più efficienti avrebbe un impatto significativo sul consumo energetico globale e ridurrebbe l'impatto ambientale. Standard di efficienza sempre più rigorosi stanno emergendo per affrontare il consumo energetico su scala globale, ponendo nuove sfide ai progettisti di elettronica di potenza.

Il carburo di silicio Wolfspeed rappresenta una soluzione eccellente per migliorare l'efficienza nei sistemi di azionamento per motori industriali, consentendo guadagni di efficienza del 2,4% e superiori semplicemente sostituendo gli IGBT tradizionali con il carburo di silicio. Una riprogettazione più avanzata con il carburo di silicio può permettere l'integrazione tra azionamenti e motori, creando sistemi industriali integrati più compatti e leggeri.

In questo articolo esploreremo come i moduli di potenza WolfPACK™ di Wolfspeed offrano una riduzione delle perdite fino al 50%, consentendo sistemi di azionamento embedded trifase industriali a bassa tensione da 25 kW più piccoli, leggeri e termicamente stabili.

Ottieni maggiore efficienza con dissipatori di calore più piccoli grazie al SiC

Un tipico sistema di azionamento motore consiste in uno stadio AC-DC (Active Front End) seguito da uno stadio DC-AC (inverter). In un sistema di azionamento motore da 25 kW con una configurazione Active Front End (AFE) a sei interruttori con una frequenza di commutazione di 45 kHz, i progettisti possono ottenere un miglioramento dell'efficienza del 1,3% nello stadio frontale rispetto a una soluzione basata su silicio che commuta a 20 kHz. Un miglioramento simile può essere raggiunto nell'inverter quando il modulo di potenza da 30 A di Wolfspeed è confrontato in modo conservativo con un modulo Si-IGBT da 100 A, entrambi commutanti a 8 kHz. Insieme, questi due cambiamenti portano a un impressionante miglioramento dell'efficienza del 2,6%, a una riduzione del 50% delle perdite a livello di sistema e permettono a un motore integrato di raggiungere lo standard di efficienza IE4, dato che il sistema originale corrispondeva allo standard IE3.

Uno dei miglioramenti più notevoli che può essere ottenuto nell'inverter utilizzando il carburo di silicio è una significativa riduzione del calore generato dal sistema, consentendo ai progettisti di utilizzare dissipatori di calore più piccoli e di progettare sistemi di azionamento motore industriali complessivamente più piccoli e leggeri.

Fig. 1: Inverter da 25 kW, Fsw = 8 kHz, dissipatore di calore ridotto per MOSFET SiC del 77%: 0,31 L (1,6°C/W) vs. 1,37 L (0,73°C/W)

I grafici sopra mostrano un miglioramento dell'efficienza quando si utilizzano i moduli Wolfspeed WolfPACK™ a sei pack in carburo di silicio rispetto ai moduli IGBT tradizionali in silicio in un inverter da 25 kW con un dissipatore di calore di 0,8 L. Con l'aumento del livello di potenza, la temperatura di giunzione degli IGBT in silicio da 50 A e 100 A aumenta, causando il loro guasto, mentre i MOSFET in carburo di silicio da 32 A di Wolfspeed rimangono stabili e ben al di sotto della soglia di guasto.

È importante notare che il miglioramento dell'efficienza sopracitato non si verifica solo ai carichi di picco, ma anche ai carichi parziali. A carichi parziali, in alcuni casi, il miglioramento dell'efficienza è ancora maggiore, il che si adatta idealmente ai profili di carico tipici di queste macchine. Inoltre, il dispositivo in carburo di silicio testato è una parte con una classificazione di corrente più bassa, con una temperatura di giunzione a carico massimo di 105°C, creando un margine significativo per massimizzare il limite ammissibile del sistema, mentre il modulo IGBT da 50 A supera considerevolmente il limite e il modulo IGBT da 100 A lo supera leggermente a carico massimo. Il “limite” qui è definito come 150°C ed è basato sui requisiti di sistema abituali per le temperature di giunzione massime ammesse in tali sistemi per i moduli di potenza.

Fig. 2: Inverter da 25 kW, Fsw = 8 kHz, dissipatore di calore più grande Si IGBT: 1,37 L (0,7°C/W), dissipatore di calore più piccolo SiC: 0,8 L (0,99°C/W)

Per garantire un sistema funzionante, ottimizzato e sostenibile, abbiamo aumentato la dimensione del dissipatore di calore dell'IGBT da 0,8 L a 1,37 L utilizzando un dissipatore di calore diverso e ridotto il dissipatore di calore del carburo di silicio del 61% per garantire che la temperatura di giunzione venga aumentata, riducendo così il margine. Questo ha portato a un dissipatore di calore del 77% più piccolo per la soluzione con carburo di silicio rispetto all'IGBT. Nonostante queste modifiche, l'IGBT da 50 A supera ancora significativamente il limite di temperatura di 150°C, ma il componente da 32 A e l'IGBT da 100 A raggiungono la stessa temperatura di giunzione, circa 129°C. È inoltre rilevante notare che l'efficienza dell'inverter con carburo di silicio aumenta dell'1,1%. In sintesi, l'uso di un dissipatore di calore ridotto e più ottimizzato con carburo di silicio in un sistema trifase da 25 kW si traduce in un miglioramento complessivo dell'efficienza del 2,4%, con una riduzione delle perdite di 600 W, raggiungendo comunque gli standard di efficienza IE4 per un motore integrato che inizialmente era conforme agli standard IE3.

Raggiungi fino al 50% di perdite in meno su tutto il sistema senza costi aggiuntivi

Il carburo di silicio offre un valore enorme a livello di sistema nei drive per motori industriali a bassa tensione. Sebbene il costo iniziale di un dispositivo in carburo di silicio possa superare quello dei tradizionali IGBT al silicio, la maggiore frequenza di commutazione e le perdite inferiori comportano un minore investimento su componenti passivi e dissipatori di calore.
Questo sistema ottimizzato può portare a un risparmio fino a 605 W, che, considerando un profilo di carico variabile operante annualmente per 8200 ore, si tradurrebbe in un risparmio annuo di 1.297,8 RMB basandosi sui costi dell'elettricità in Cina a novembre 2023 per un sistema da 25 kW e potrebbe accumulare fino a ~19.000 RMB nei prossimi 15 anni. Sostituire gli IGBT con dispositivi in carburo di silicio potrebbe essere più costoso a livello iniziale, ma considerando il costo complessivo del sistema, il costo più elevato del carburo di silicio è compensato da una riduzione dei componenti passivi, pur raggiungendo un nuovo livello di efficienza per i sistemi finali di drive del motore industriale allo stesso tempo.

Fig. 3: Inverter da 25 kW, FSW = 16 kHz, dissipatore di calore MOSFET SiC ridotto del 41%: 0,80 L (0,99°C/W) rispetto a 1,37 L (0,73°C/W)

In Fig. 3 rafforziamo ulteriormente come il carburo di silicio stia consentendo prestazioni superiori anche a frequenze di commutazione più elevate. In questo caso aumentiamo la frequenza di commutazione da 8 kHz a 16 kHz e utilizziamo un dissipatore di calore più piccolo del 41% rispetto al dissipatore di calore IGBT comparabile. Con il modulo di potenza a sei pack FM3 in carburo di silicio di Wolfspeed siamo comunque sopra o vicini al 99% di efficienza e vicini al limite di temperatura di 150°C sotto carico di picco. Con un IGBT da 50 A e 100 A cominciamo a fallire termicamente intorno ai 10 kW e 15 kW rispettivamente, a causa delle perdite di commutazione aumentate. Per far funzionare questi IGBT con corrente nominale più elevata in modo altrettanto efficace come i moduli FM3 in carburo di silicio di Wolfspeed, i progettisti avrebbero bisogno di includere un dissipatore di calore molto più grande o componenti con corrente nominale più alta. È interessante notare che l'efficienza dell'inverter con il carburo di silicio a 16 kHz è comunque superiore rispetto all'efficienza dell'inverter con IGBT a 8 kHz.

Conclusione

In conclusione, la sostituzione dei tradizionali IGBT al silicio con il carburo di silicio può ottenere fino al 2,6% di miglioramenti complessivi dell'efficienza in un sistema di azionamento per motori industriali a bassa tensione da 25 kW. Miglioramenti significativi dell'efficienza a livelli di potenza più elevati sono possibili lungo l'intero profilo di carico, con conseguenti enormi risparmi energetici. Il carburo di silicio offre anche una maggiore densità di potenza grazie a componenti passivi più piccoli e dissipatori di calore ridotti, portando a un'ottimizzazione complessiva dei costi e delle dimensioni del sistema. Inoltre, le possibilità di alte temperature di giunzione e la migliore dissipazione termica dei dispositivi SiC, insieme a perdite inferiori, consentono ai progettisti di realizzare sistemi più compatti, facilitando l'integrazione di azionamenti e motori.

Scopri di più su come Wolfspeed sta alimentando l'evoluzione degli azionamenti per motori industriali a bassa tensione sul sito web di Wolfspeed.