Hoe Wide-Bandgap-gebaseerde Stroombronomvormers de Toekomst van Geïntegreerde Motoraandrijvingen Vormgeven

De term geïntegreerde motoraandrijving (IMD) omvat een breed scala aan elektrische machines en regelbare aandrijfsystemen die als één geheel zijn verpakt. In de huidige industriële praktijk bestaat een IMD vaak uit een conventionele wisselstroommachine, zoals een inductiemotor, met een regelbare aandrijving die in een aparte behuizing op de motor is gemonteerd. Echter, de toekomstige visie op IMD’s streeft naar een diepere integratie waarbij de vermogenselektronica in dezelfde behuizing als de motor wordt geïntegreerd. Deze evolutie wordt gedreven door de opkomst van wide-bandgap (WBG) halfgeleiders, zoals galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC), die belangrijke technologische barrières slechten die voorheen de ontwikkeling van compacte, efficiënte en robuuste geïntegreerde systemen belemmerden.

Om deze problemen te mitigeren, hebben ontwerpers tot nu toe traditionele technieken toegepast, zoals snubbers en aangepaste poortdrivers. Deze oplossingen gaan echter vaak ten koste van extra gewicht, volume, verliezen en kosten, waardoor de voordelen van de WBG-technologie deels teniet worden gedaan. Daarom wordt gezocht naar alternatieve schakeltopologieën die de sterke punten van WBG-componenten beter benutten en tegelijkertijd de nadelen minimaliseren.

Een veelbelovende benadering is het gebruik van WBG-gebaseerde stroombronomvormers (current source inverters, CSI) in plaats van de conventionele spanningsbronomvormers (voltage source inverters, VSI). De verschuiving naar CSI’s is mede mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van bidirectionele WBG-schakelaars die stroom in beide richtingen kunnen sturen. Hoewel deze bidirectionele schakelaars nog niet commercieel breed beschikbaar zijn, beloven ze een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop omvormers worden ontworpen en toegepast.

Het fundamentele verschil tussen VSI’s en CSI’s ligt in de vervanging van de grote dc-koppelcondensator door een dc-koppelspoel, die in combinatie met uitgangscondensatoren een tweede-orde LC-filter vormt. Dit filter zorgt voor veel minder scherpe spanningspulsen en dus voor aanzienlijk lagere dv/dt-waarden op de uitgang, wat de elektrische belasting van de motor aanzienlijk vermindert. De sinusvormige uitgangsspanning van CSI’s is veel gunstiger voor motoren dan de pulsbreedtemodulatie (PWM) spanningen met extreem hoge dv/dt’s van VSI’s. Bovendien leidt deze filterwerking tot een sterke onderdrukking van de gemeenschappelijke modus EMI, waardoor extra EMI-filters overbodig worden. Dit vermindert het gewicht en volume van het systeem, wat in industriële toepassingen van groot belang is.

Deze technische voordelen maken WBG-gebaseerde CSI’s tot een aantrekkelijke optie voor de volgende generatie geïntegreerde motoraandrijvingen, waarin compacte vormfactoren, hoge efficiëntie, betrouwbaarheid en thermische robuustheid essentieel zijn. De combinatie van WBG-technologie met CSI-topologieën kan daarom de kern vormen van innovatieve aandrijfsystemen die geschikt zijn voor zware industriële toepassingen met middelhoge spanningen.

Het is belangrijk om te beseffen dat het succes van deze nieuwe systemen niet alleen afhangt van de halfgeleidertechnologie, maar ook van een diepgaand begrip van elektromagnetische compatibiliteit, thermisch beheer, en het vermogen om de interactie tussen elektronische schakelingen en mechanische motorcomponenten te beheersen. Ontwerpers moeten daarom aandacht besteden aan de integrale systeemanalyse om het volledige potentieel van WBG-CSI-IMD’s te benutten en tegelijkertijd storingsgevoeligheden te minimaliseren. Tevens blijft de ontwikkeling van robuuste, commercieel beschikbare bidirectionele WBG-switches een cruciale stap voor verdere adoptie.

Hoe kunnen we de uitdagingen van elektrische voortstuwing in zware voertuigen oplossen met de nieuwste technologie?

De traditionele benadering van elektrische aandrijving in zware voertuigen was vaak gefocust op het gebruik van Si IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) en MOSFET's (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) die, hoewel effectief, beperkingen vertonen bij hogere vermogensdichtheden en hogere bedrijfstemperaturen. SiC-transistoren bieden een significante verbetering doordat ze sneller kunnen schakelen, wat de mogelijkheid biedt om de frequentie van de schakelcircuits te verhogen. Dit heeft op zijn beurt een positief effect op de afmetingen van de benodigde energiebuffercomponenten zoals condensatoren en inductoren, die kleiner kunnen zijn. Bovendien, door de superieure thermische eigenschappen van SiC, kunnen de modules efficiënter worden gekoeld, wat resulteert in minder zware koelers en platen, wat essentieel is voor zware toepassingen.

Bijvoorbeeld, in het geval van de ontwikkeling van een permanente-magneet synchrone motor (PMSM) voor een Caterpillar-loader, werd een aanzienlijke verbetering in de vermogensdichtheid nagestreefd. De doelstellingen voor dit project omvatten een verhoging van de uitgangsvermogen van 2 × 70 kW naar 2 × 250 kW, evenals een verbetering van de efficiëntie tot 98,5% bij een piekvermogen. Dit doel werd bereikt door gebruik te maken van geavanceerde topologieën zoals een meertraps-inverter met SiC-MOSFET's, die de benodigde schakelfrequentie verhoogden tot 20 kHz, wat resulteerde in kleinere en lichtere converters.

Naast de technische uitdagingen in het ontwerp van de elektrische omvormers, kwamen er ook vragen op het gebied van betrouwbaarheid en levensduur van de componenten. Voor zware voertuigen en industriële toepassingen is de betrouwbaarheid van het systeem van essentieel belang, vooral omdat de apparatuur in ruwe omgevingen werkt. Dit vereist een zorgvuldige selectie van materialen en componenten die bestand zijn tegen de extreme omstandigheden, zoals hoge temperaturen en mechanische belasting. In veel gevallen betekent dit dat er gekozen moet worden voor componenten die niet alleen bestand zijn tegen hogere temperaturen, maar ook die minder gevoelig zijn voor degradatie door frequente in- en uitschakelingen.

In de zoektocht naar een oplossing voor de toekomstige eisen van zware voertuigen wordt niet alleen gekeken naar de krachtigste technologieën, maar ook naar de afweging tussen prestaties, kosten en betrouwbaarheid. De nieuwste innovaties in de vermogenselektronica, zoals de toepassing van SiC en andere breedbandgap-materialen, bieden een veelbelovende weg vooruit. Toch blijven er aanzienlijke uitdagingen bestaan, zoals het verder verbeteren van de levensduur van de componenten en het verlagen van de kosten van de technologie, die beide cruciaal zijn voor grootschalige adoptie.

Hoe directe koeling de thermische prestaties van vermogenschakelaars kan verbeteren

De koeling van vermogenschakelaars, vooral in toepassingen zoals die met wide bandgap-materialen zoals siliciumcarbide (SiC), is een cruciale factor voor het verbeteren van de efficiëntie en het vermogen van elektronische systemen. Bij de conventionele benadering van koeling wordt vaak gebruik gemaakt van een koudplaat met interne vinnen die zorgt voor een lage thermische weerstand. Echter, de recente ontwikkelingen in directe koeling van de basisplaat van vermogenschakelaars, zonder het gebruik van een thermische interface-materiaal (TIM), bieden aanzienlijke voordelen op het gebied van prestaties en efficiëntie.

De thermische prestaties van een vermogenschakelaar hangen sterk af van de mate waarin warmte kan worden afgevoerd van de chip naar de koelvloeistof. Wanneer een koelvloeistof direct in contact komt met de blote basisplaat van de vermogenschakelaar, kan de algehele thermische weerstand aanzienlijk worden verlaagd. Dit is omdat de TIM-resistentie, die traditioneel bestaat uit een dunne laag van ongeveer 100 μm tussen de koelplaat en de module, wordt geëlimineerd. Het gebruik van een dergelijke laag resulteert namelijk in een aanzienlijke thermische weerstand, wat de koelprestaties ondermijnt. TIM-materialen hebben een relatief lage thermische geleidbaarheid (~1 W/(m·K)), wat hun effectiviteit in kritieke toepassingen zoals vermogenschakelaars beperkt.

De oplossing voor dit probleem is het implementeren van directe koeling via de basisplaat, waarbij de koelvloeistof rechtstreeks in contact komt met de basisplaat van de module. Dit ontwerp maakt het mogelijk om de warmteoverdracht efficiënt te verbeteren zonder de nadelen van TIM, die parasitaire thermische weerstand toevoegt. De interface tussen de basisplaat en de vloeistofstroommanifold wordt afgedicht met een pakking, waardoor lekkage wordt voorkomen en de prestaties van het koelsysteem gewaarborgd blijven.

De thermische prestaties van deze nieuwe aanpak kunnen worden gekwantificeerd door de thermische-resistentie-netwerken van de vermogenschakelaar te analyseren. In vergelijking met de traditionele metalen koudplaat heeft het directe koelontwerp een lagere thermische weerstand, vooral doordat de TIM-laag volledig wordt geëlimineerd. Dit maakt de directe koeling veel effectiever in het afvoeren van warmte. De traditionele koudplaat heeft een hogere thermische weerstand vanwege de parasitaire effecten van de TIM en de relatief lage thermische geleidbaarheid van de lucht tussen de contactoppervlakken. In plaats daarvan zorgt de directe koeling met een gladde basisplaat voor een betere warmteoverdracht, ondanks de afwezigheid van interne vinnen die normaal gezien de warmteafvoer bevorderen.

Hoewel de directe koeling op basisplaat nog relatief nieuw is, biedt het aanzienlijke voordelen in termen van prestaties en efficiëntie. De uitdaging blijft echter in de kosten en complexiteit van de productie van dergelijke systemen, vooral voor SiC-modules. De productie van vermogenschakelaars met een directe koelingstechnologie vereist geavanceerde fabricagemethoden en materialen die nog niet op grote schaal beschikbaar zijn.