About / Advertise
Elektronikkonsult har i ett tidigare projekt, finansierat av Vinnova och Energimyndigheten, visat att kiselkarbid kan minska effektförbrukningen med 60 procent i ett drivsystem – i detta fall en industriell skruvdragare från Atlas Copco. Resultatet var så lyckat att ett produktprojekt just sjösatts.
 |
| Peter Karlsson |
− Tanken är att vidareutveckla ett befintligt system som kan köras med en högre medeleffekt och klara tuffare tillämpningar, säger Peter Karlsson, kraftkonstruktör på Elektronikkonsult.
I befintligt utrymme ska dagens tvånivå-brygga realiserad med IGBT:er i kisel ge vika för en tvånivå-brygga med MOSFET:ar i kiselkarbid. I båda fall används 1200 V-komponenter.
Siktet är inställt på att fördubbla medeleffekten för en given kanal hos drivsystemet. Det är däremot inte säkert att medeleffekten i hela systemet kommer att kunna höjas i samma grad, eftersom det handlar om ett multikanalsystem som kan styra många motorer på samma gång.
− Det är ett ganska komplext system att analysera, så vi måste göra lite tester först för att se var vi landar. Det kan hända att vi kan fördubbla medeleffekten för hela systemet. Det vet vi inte idag.
Flera detaljer ligger bakom att en konstruktion som denna kan sänka förlusterna rejält genom det tänkta bytet.
Elektronikkonsult |
|
Företaget är specialiserat på kraftelektronik och mönsterkortslayout. Likaså erbjuder företaget EMC-tjänster. Elektronikkonsult har 20 anställda och finns i Danderyd, strax norr om Stockholm. Det har tillgång till ett stort elektroniklabb för omfattande verifieringar och tester. |
En är att IGBT:n har ett karakteristiskt knä i framspänningsfallet som MOSFET:en saknar. Det gör att en SiC-MOSFET bäddar för hög verkningsgrad över ett bredare arbetsområde.
− Vi har tänkt att ha ungefär samma SiC-area på switcharna som kiselarean i IGBT:erna, så vi får väldigt låga ledförluster i slutsteget, förklarar Peter Karlsson.
En annan detalj är att IGBT:er har en så kallad antiparallell diod som ska frihjula (leda) strömmen i det switchintervall där det behövs. I ett IGBT-slutsteg utnyttjas dioderna väldigt mycket och orsakar då ett spänningsfall på cirka 1 V.
En MOSFET har förmåga att leda ström i båda riktningar i kanalen, vilket höjer prestanda avsevärt vid drift med låg effektfaktor.
− I test har vi sett att vi kan halvera förlusteffekten i invertersteget i denna typ av motorstyrning. Det beror på att man inte alltid har optimal effektfaktor. Om man drar ner hastigheten, men kör med höga moment, så cirkulerar det mycket reaktiv ström i motorerna.
Den inbyggda så kallade body-dioden i SiC-transistorer lagrar dessutom minimalt med laddning, vilket gör att det inte skapas någon återhämtningsström (reverse recovery). En detalj som sparar ytterligare förlusteffekt.
 Denna artikel har tidigare publicerats i magasinet Elektroniktidningen. För dig som jobbar i den svenska elektronikbranschen är Elektroniktidningen gratis att prenumerera på – våra annonsörer betalar kostnaden.Här ansöker du om prenumeration (länk). |
Samtidigt finns också utmaningar. En är att MOSFET:ar inte är lika tålig mot kortslutning under korta tider som IBGBT:er.
− Vi måste vara snabba att stänga av om vi får kortslutning för att skydda kretsarna från att gå sönder. Funktionen måste implementeras i hårdvara, för mjukvara är inte tillräckligt snabbt.
Likaså kan det bli nödvändigt att införa negativ biasering. Detta på grund av att det finns risk för genomledning i bryggbenet då man switchar fort.
− Till att börja med kommer vi inte att switcha så snabbt, men vi planerar att konstruera ett gate-driv som gör att vi kan gå upp i switchfrekvens framöver.
I dagens lösning ligger switchfrekvensen på 8 kHz. Siktet är ställt på 16 kHz, men det går att nå 32 kHz innan det blir problem i den befintliga produkten. Ett skäl till att gå upp i frekvens är att det minskar rippelströmmarna i motorn, och därmed förlusterna.
Den högre switchfrekvensen leder också till utmaningar som utstrålad och ledningsbunden emission.
Ett av de närmast förestående besluten är att välja SiC-kretsar till konstruktionen. I varje tvånivå-brygga går det åt sex switchelement, vart och ett uppbyggt av en eller två transistorer.
− I Vinnovaprojektet använde vi kretsar från Wolfspeed. I detta projekt har vi ännu inte valt SiC-leverantör, utan vi håller just nu på att utvärdera priser och leveranser.
