Wide bandgap halfgeleiders hebben industriële aandrijvingen veel te bieden

Bij ontwerpers van elektrische industriële aandrijfsystemen, die verantwoordelijk zijn voor bijna de helft van het wereldwijde elektriciteitsverbruik, ligt de focus meer dan ooit op efficiëntie. Bij hun inspanningen om te komen tot hogere efficiëntie, grotere vermogensdichtheid en verbeterde dynamische prestaties worden ze steeds meer beperkt door conventionele Si-vermogenscomponenten. Schakelverliezen, thermische beperkingen en gelimiteerde schakelfrequenties maken het lastig om ontwerpen compacter en efficiënter te maken. Wide bandgap (WBG) halfgeleiders bieden uitkomst. Door de superieure materiaaleigenschappen van siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) kunnen componenten als SiC MOSFET’s en GaN-FET’s worden ontwikkeld, die sneller schakelen, minder warmte genereren en bestand zijn tegen hogere bedrijfstemperaturen. Dit artikel is gebaseerd op een door Avnet gepubliceerde bijdrage van Pradip Chatterjee van Nexperia.

Industriële motoraandrijvingen bestrijken een breed scala aan vermogensniveaus, spanningen en prestatie-eisen. Per segment (hoogvermogen, servo, laagvermogen) bieden WBG-componenten specifieke voordelen.

Hoogvermogen aandrijvingen

Aandrijfsystemen met hoog vermogen werken doorgaans boven 100 kW, met DC-tussenkringspanningen variërend van 690 V tot enkele kilovolts. Deze aandrijvingen worden gebruikt in zware industriële motoren voor pompen, compressoren, ventilatoren, tractiesystemen, mijnbouwapparatuur en grote HVAC-installaties. Belangrijke ontwerpvereisten zijn een hoog rendement over een breed vermogensbereik, robuuste kortsluitvastheid en langdurige betrouwbaarheid in bedrijfskritische omgevingen.

Lange tijd zijn Si IGBT’s, geïmplementeerd in multi-level of in serie geschakelde topologieën, toegepast om despanningsbelasting te beheersen. Die hebben echter nadelen. Schakelverliezen beperken de praktische schakelfrequenties tot enkele kilohertz, wat leidt tot grote uitgangsfilters en verhoogde stroomrimpel. Tegelijkertijd leiden eisen voor thermische beheer tot grotere koellichamen en geforceerde koeling, waardoor de grootte van de behuizing en de complexiteit van het systeem toenemen.

Geconfronteerd met steeds strengere rendementseisen streven fabrikanten van aandrijvingen ernaar verliezen te verminderen en tegelijkertijd de systeemgrootte te behouden of te verkleinen, waardoor vermogensdichtheid een belangrijke onderscheidende factor wordt. SiC gebaseerde oplossingen bieden hier uitkomst. SiC-componenten kunnen met hoge spanningen en temperaturen overweg en hebben lage geleidings- en schakelverliezen.

Servosystemen

Bij servo-aandrijvingen gaat het doorgaans om vermogens van 0,5 kW tot 100 kW, en spanningen tussen 200 V en 700 V. Toepassingen zijn onder meer CNC-machines, robotica, verpakkingsapparatuur en geavanceerde automatiseringssystemen. De nadruk ligt op de dynamische prestaties. Een hoge bandbreedte in de stroomregeling, een snelle koppelrespons en een nauwkeurige positieregeling zijn essentieel. De schakelfrequentie heeft directe invloed op de haalbare prestaties.

Naarmate de prestatie-eisen blijven stijgen, beperken conventionele Si-componenten de mogelijkheden van servoaandrijvingen steeds meer. Hogere schakelfrequenties verbeteren de bandbreedte in de stroomregeling en de koppeleigenschappen, maar in Si-gebaseerde ontwerpen leiden ze al snel tot toenemende schakelverliezen en thermische belasting.

Met aanzienlijk lagere schakelverliezen en snellere schakelkarakteristieken maken SiC- en GaN-componenten hogere PWM-frequenties (tot wel 50-100 kHz) mogelijk met behoud van een hoog rendement, wat resulteert in een verbeterde dynamische respons zonder nadelige thermische effecten. Dit ondersteunt stroomregelingen met een bandbreedte boven de 5 kHz en responstijden onder de 100 microseconden. Deze verbeteringen komen ten goede aan de prestaties van veldgeoriënteerde regeling (FOC) omdat ze de stroomrimpel verminderen, de fase-uitlijning verbeteren en de onderdrukkingscapaciteit bij snelle belasting- of snelheidsveranderingen vergroten.

Laagvermogen aandrijvingen

Laagvermogen aandrijvingen (<10 kW) werken met gelijkspanningen van 100 V of minder. Toepassingen zijn onder meer motoren voor huishoudelijke apparaten, elektrisch gereedschap en batterijgevoede e-mobiliteitsplatforms zoals e-bikes en lichte elektrische voertuigen.

In dit prijsgevoelige segment werden traditioneel Si-MOSFET’s toegepast. De stijgende eisen op het gebied van efficiëntie, batterijlevensduur, geluidsreductie en regelkwaliteit raken voor deze Si-gebaseerde oplossingen te hoog gegrepen. GaN-componenten winnen daarom aan populariteit in dit segment.

GaN-FET’s combineren hoge schakelsnelheden, een lage gate-lading en vrijwel verwaarloosbare sperherstelverliezen. Hierdoor zijn veel hogere schakelfrequenties met uitstekende efficiëntie mogelijk zijn, wat zich onder meer vertaalt in compacte ontwerpen met een nauwkeurige regeling.

Vergelijking tussen SiC en Si

De bredere bandgap dan bij Si betekent dat bij SiC elektronen meer energie (3,26 eV bij SiC versus 1,12 eV bij Si) moeten opnemen voordat ze naar een niveau kunnen gaan waar ze geleidend worden. Dat levert op materiaalniveau een tweetal voor vermogenstoepassingen essentiële voordelen op: een ongeveer tien keer zo hoge elektrische doorslagveldsterkte (ruim 3 MV/cm bij SiC vs. 0,3 MV/cm bij Si) en met 5 W/cmK een aanmerkelijk hogere thermische geleidbaarheid dan bij Si (1,5 W/cmK).

Op componentniveau leidt dat tot een lagere ON-weerstand (R_DS(on)), wat op zijn beurt een lagere geleidingsweerstand mogelijk maakt. Dit betekent dat SiC-componenten minder warmte afgeven dan Si-componenten en minder vermogensverlies hebben tijdens het geleiden. Hierdoor zijn ze geschikter voor toepassingen met hoge stroomsterkte. De R_DS(on) van SiC neemt ook minder toe met de temperatuur dan die van silicium. Andere gunstige karakteristieken op componentniveau zijn onder andere kortere uitschakeltijden, lagere capaciteit, waardoor sneller kan worden geschakeld met minder verliezen en lage poortlading, waardoor verliezen en dus het stroomverbruik worden verminderd. Een en ander heeft ook consequenties voor de de maximale junctietemperatuur waarbij de componenten betrouwbaar kunnen werken. Die is met 175 °C bij SiC flink hoger dan bij Si (150 °C).

Minder schakelverliezen en hoger rendement

De 50-80 % lagere schakelverliezen van SiC-MOSFET’s ten opzichte van Si-IGBT’s vertalen zich bij hoogvermogen aandrijvingen in efficiëntieverbeteringen van één tot twee procentpunten. Lagere verliezen verminderen ook de warmteontwikkeling in de omvormer, waardoor de eisen aan het thermisch beheer worden verlicht en de levensduur van het systeem wordt verlengd. Bij een typische 250 kW-aandrijving die werkt bij een schakelfrequentie van 10 kHz kan dit leiden tot een energiebesparing van 2.500-5.000 kWh per jaar ten opzichte van een Si-gebaseerde evenknie.

Dankzij de lage schakelverliezen van SiC-componenten kunnen hoogvermogen aandrijvingen werken bij schakelfrequenties van 20-50 kHz (voor Si-IGBT-oplossingen is dat typisch 2-8 kHz). Dit maakt een aanzienlijke verkleining van het uitgangsfilter mogelijk, waarbij het volume van de inductor vaak met 40-60 % wordt verminderd. Hogere schakelfrequenties verminderen ook de stroomrimpel van de motor, waardoor de koppelrimpel afneemt. De hogere frequentie maakt ook dat trillingen van de motor niet meer hoorbaar zijn.

In servo-aandrijvingen vertaalt dit zich direct in een snellere koppelrespons en verbeterde storingsonderdrukking, waarbij de bandbreedte van de stroomregelkring zich uitstrekt tot in het bereik van enkele kilohertz en de koppelresponstijden in hoogwaardige systemen doorgaans onder de 100 microseconden liggen.

Vereenvoudigd thermisch beheer

Het vermogen van SiC om bij hogere junctietemperaturen te werken, in combinatie met lagere totale verliezen, maakt kleinere koellichamen mogelijk. Ook is niet altijd geforceerde luchtkoeling meer nodig. In veel gevallen is een vermindering van het koellichaamvolume met 30-50 % haalbaar, wat een hogere vermogensdichtheid en compactere aandrijfontwerpen ondersteunt.

In midden- en hoogspanningsomvormers maken SiC-componenten ook vereenvoudiging op systeemniveau mogelijk. Hun hogere spanningscapaciteit en verbeterde schakelprestaties stellen ontwerpers bijvoorbeeld in staat om over te stappen van meerlaagse naar eenvoudigere tweelaagse topologieën, waardoor het aantal componenten wordt verminderd en de betrouwbaarheid wordt verbeterd. Deze voordelen op systeemniveau compenseren vaak de hogere componentkosten van SiC-componenten.

Snel schakelen met GaN

GaN-FET’s schakelen extreem snel, met overgangstijden in het nanosecondenbereik, waardoor PWM-schakelfrequenties mogelijk zijn die routinematig hoger zijn dan 100 kHz en, in geschikte laagspanningsontwerpen, oplopen tot enkele honderden kHz. In tegenstelling tot conventionele Si-componenten behoudt GaN een hoog rendement onder hard-switching omstandigheden bij deze hoge frequenties, waarbij de schakelverliezen minimale variatie vertonen over het bedrijfstemperatuurbereik.

Een hoge schakelfrequentie heeft directe gevolgen voor de vereisten aan passieve componenten. Het volume van inductoren en uitgangsfilters kan met wel 70-80 % worden verminderd, terwijl de grootte van de DC-link-condensator ook aanzienlijk kan worden verkleind. Het resultaat is een aanzienlijke toename van de vermogensdichtheid, wat met name waardevol is in compacte en batterijgevoede systemen. Lage schakelverliezen en verminderde geleidingsverliezen helpen de warmteontwikkeling te beperken, wat een betrouwbare werking bij verhoogde vermogensdichtheid ondersteunt met thermische prestaties die vergelijkbaar zijn met, of beter zijn dan, Si-oplossingen.

Lage ON-weerstand

Naast snelle schakelprestaties bieden GaN-componenten een zeer lage specifieke ON-weerstand, wat helpt om geleidingsverliezen te minimaliseren, zelfs bij hogere stroomniveaus. Voor laagspanningstoepassingen kunnen 100 V GaN-componenten een ON-weerstand van minder dan 10 mΩ bereiken in compacte behuizingen. Bij hogere nominale spanningen, zoals 650 V, vertonen GaN-componenten doorgaans een ON-weerstand in het bereik van 20 tot 50 mΩ, vergelijkbaar met Si-MOSFET’s die zijn ontworpen voor aanzienlijk lagere spanningen.

De combinatie van lage geleidingsverliezen en hoge schakelcapaciteit ondersteunt een efficiënte werking over een breed belastingsbereik en maakt tegelijkertijd een hogere stroomdichtheid mogelijk. Als gevolg hiervan kunnen op GaN-gebaseerde ontwerpen aanzienlijke verbeteringen in vermogensdichtheid realiseren, tot wel 3-5×, zonder dat dit leidt tot nadelige thermische effecten.

Verbeterde dode-tijdregeling en golfvormkwaliteit

GaN-componenten schakelen extreem snel en hebben geen last van omkeerverliezen, die inherent zijn aan Si-MOSFET’s en IGBT’s. Dit stelt ontwerpers van motoraandrijvingen in staat om de dode tijd te reduceren tot in de orde van tientallen nanoseconden, doorgaans rond de 10 tot 20 ns, zonder het risico op brugkortsluiting te vergroten.

Een kortere dode tijd vermindert ongewenste stromen tijdens schakelovergangen, waardoor de integriteit van de fasestroomgolfvorm wordt verbeterd en harmonische vervorming wordt verminderd. De afwezigheid van omgekeerde herstelstroom vermindert ook spanningspieken, elektromagnetische interferentie en koppelrimpel. Deze timingvoordelen komen goed tot hun recht in veldgeoriënteerde en sensorloze motorbesturingen, waar nauwkeurige stroomregeling direct van invloed is op de koppelstabiliteit en prestaties bij lage snelheden.

Conclusie

WBG-halfgeleiders maken het verschil in de vermogenselektronica voor industriële motoraandrijvingen. SiC heeft duidelijke voordelen in midden- en hoogspanningstoepassingen, met een hoger rendement, verhoogde vermogensdichtheid en mogelijkheden voor systeemvereenvoudiging. GaN ontpopt zich als de optimale oplossing voor laagspanningsmotoraandrijvingen, waar de snelle schakelcapaciteit, compacte passieve componenten en uitstekende regelprestaties nieuwe niveaus van efficiëntie en integratie mogelijk maken.

SiC en GaN zijn complementaire technologieën, geselecteerd op basis van de specifieke spanning, vermogen en prestatie-eisen van de motoraandrijving. Met hun SiC- en GaN-productfamilies voor hoog-, midden- en laagspanningstoepassingen stelt Nexperia ontwerpers in staat om aandrijfoplossingen te optimaliseren voor het volledige industriële spectrum. Als belangrijke distributeur van Nexperia-oplossingen voor vermogenshalfgeleiders ondersteunt Avnet Silica ingenieurs met toegang tot gekwalificeerde componenten, samen met technische expertise, referentieontwerpen en continuïteit in de toeleveringsketen.