Coût Total de Possession dans les Drives de Moteurs SiC – La Vision Globale

Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.

Après un succès commercial dans une variété d’applications, le carbure de silicium est prêt à être déployé sur le marché compétitif des variateurs industriels. Les avantages pratiques des modules de puissance SiC ne se limitent pas uniquement aux gains d’efficacité. Un examen de deux types de variateurs de moteur montre des économies dans tous les domaines. La clé est de voir l’ensemble du tableau.

Les MOSFET en carbure de silicium se sont révélés être une alternative commercialement viable aux IGBT en silicium dans les systèmes solaires, les systèmes de stockage d’énergie, les véhicules électriques et les chargeurs de VE. Ce sont toutes des applications où les gains d’efficacité et la réduction de la taille des filtres compensent tout coût accru des matériaux semi-conducteurs. Les variateurs de moteur industriels, étant des produits de commodité, ont nécessité des semi-conducteurs de puissance à bas coût, avec moins d’égard à l’efficacité au niveau des dispositifs. Aujourd’hui, l’augmentation des prix mondiaux de l’énergie et les exigences réglementaires concernant les harmoniques de courant et les émissions de CO₂ poussent les concepteurs à rechercher des solutions à plus haute efficacité. Cela, couplé à la disponibilité de dispositifs de puissance SiC capables de court-circuit et produits en masse, signifie que le SiC a sa place dans les variateurs de moteur. En examinant deux types de variateurs différents, les avantages techniques du SiC dans différentes positions de circuit peuvent être étudiés.

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Côté Ligne (Variateur Bas Harmoniques/Régénératif)

Les variateurs modernes de performance incorporent souvent un front actif (AFE) utilisant des dispositifs actifs au lieu de redresseurs passifs pour la connexion à la ligne pour deux raisons. 1.) Pour traiter le contenu harmonique que le variateur impose au réseau. Un pont triphasé de dispositifs actifs peut se synchroniser avec la fréquence de la ligne et tirer des courants sinusoïdaux de la ligne proches de l’unité de facteur de puissance. Cette topologie soutient le respect des exigences harmonique (par exemple, IEEE 519 aux États-Unis) et améliore l’utilisation du réseau électrique. Ce sujet gagne en importance, stimulé par l’électrification continue des industries et des applications. 2.) La capacité de renvoyer de l’énergie au réseau. Cela est bénéfique dans des applications pouvant générer de l’énergie pendant le fonctionnement, qui sinon doit être dissipée par un résistor de frein passif. Cela pourrait inclure des variateurs servo, des grues, des ascenseurs, des escalators, des convoyeurs, des dynamomètres, etc.

Les AFE les plus simples utilisent typiquement des circuits, comme illustré dans la Figure 1. Pour ce faire, remplacer les IGBTs et leurs diodes de récupération associées par des MOSFETs SiC peut donner de multiples avantages pour l’ensemble du système.

Figure 1. Topologie typique de front actif. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Un variateur AFE complet de 20 kW (27 HP) avec les paramètres d’exploitation suivants est examiné :

• V_DC: 750 V
• V_ligne: 400 V
• I_ligne: 30 A
• PF: 0.98
• f_ligne: 50 Hz
• f_sw: Si = 5 kHz, SiC = 20 kHz
• R_th(s-a): 0.31 K/W
• T_amb: 40°C

Le module de puissance Si IGBT de base pour cette comparaison utilise la dernière génération (7^ème) de 1200 V/50 A IGBT, tandis que le module de puissance MOSFET SiC sélectionné utilise un MOSFET de 1200 V/18 mΩ. Les deux modules utilisent le même boîtier, un SEMITOP E1 de Semikron Danfoss. Dans cette simulation, la fréquence de commutation du SiC est augmentée jusqu’à ce que la même température de jonction que celle du dispositif Si soit atteinte.

Tableau 1. Comparaison simulée d’application AFE

Même à quatre fois la fréquence porteuse, les dispositifs SiC affichent 34 % de pertes totales inférieures par circuit triphasé. De plus, il y a un impact direct sur la taille des filtres LCL. La fréquence de commutation plus élevée permet une réduction de l’inductance et de la capacité requises. Le poids total des inducteurs est presque réduit de moitié, tandis que le volume global est diminué de 70 %. Bien que le coût des modules de puissance SiC soit supérieur à celui des dispositifs Si, le coût total de possession pour le système doit être pris en compte :

• Volume et poids du variateur plus petits :

   • Réduction des coûts d’expédition, d’emballage et d’espace de stockage

   • Installation plus facile

   • Panneaux et espace d’installation plus petits

• Pertes en watts réduites

   • Économies d’énergie et réduction des coûts

   • Exigences de refroidissement plus faibles

Quand on examine cela dans une perspective plus large, les avantages substantiels rendus possibles par le SiC compensent non seulement le coût des composants. Dans les applications AFE, ils offrent également des avantages de coût considérables sur la durée de vie du produit.

Côté Inverseur (Variateur Conventionnel)

Côté inverseur d’un variateur, connecté au moteur, présente des défis pour l’implémentation du SiC. Ici, contrairement à l’exemple AFE, quelques limitations et exigences clés doivent être prises en compte :

• L’inverseur doit résister aux courts-circuits
• dv/dt doit être limité (par exemple <5 kV/µs) pour éviter d’endommager le moteur
• La fréquence de commutation est limitée pour maintenir les pertes de variateur à un niveau acceptable et éviter un courant de fuite excessif dans les câbles moteurs blindés

La capacité de court-circuit des MOSFET SiC a longtemps été un sujet critique. Cependant, avec les dernières générations, les dispositifs SiC sont maintenant disponibles pour gérer des courts-circuits pendant quelques microsecondes, ce qui en fait une option viable pour les variateurs de moteur.

Figure 2. Variateur de moteur avec redresseur passif. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Comme on peut le voir sur le schéma à la Figure 2, il n’y a pas de composants magnétiques qui pourraient être réduits par une augmentation de la fréquence de commutation. Néanmoins, dans cette application, le SiC peut encore fournir des avantages précieux. Cela est illustré par un variateur de moteur de 15 kW (20 HP) exemplaire avec les paramètres suivants, souvent trouvés dans des applications de couple variable :

• V_DC: 560 V
• V_out: 355 V
• I_out: 26 A
• Surcharge : 110%/1 min
• PF: 0.98 (moteur à aimant permanent)
• f_out: 50 Hz
• f_sw: Si/SiC = 5 kHz (dv/dt limité à 5 kV/µs)
• R_th(s-a): 0.31 K/W
• T_amb: 50°C

Le module de puissance Si IGBT de base pour cette comparaison utilise la dernière génération (7^ème) de 1200 V/35 A IGBT dans le boîtier SEMITOP E2. Le module de puissance SiC MOSFET sélectionné utilise un MOSFET de 1200 V/18 mΩ. Ce MOSFET est la dernière génération 4^ème de ROHM Semiconductor avec une capacité de court-circuit de 2 µs (V_G = 18 V, T_j = 150°C, V_DC = 720 V) lorsqu’il est utilisé dans des modules de puissance Semikron Danfoss. Pour les deux modules d’exemple, les résistances de grille externes ont été sélectionnées pour limiter le dv/dt à 5 kV/µs.

Application entraînant une pompe centrifuge avec des caractéristiques de couple quadratiques, comme montré dans la Figure 3. Les pompes réelles fonctionnent principalement dans une plage de vitesse de 40 à 80 %. Cette zone de fonctionnement correspond à une plage de courant où le MOSFET SiC a des pertes de conduction plus faibles than l’IGBT Si. À mesure que le MOSFET est ralenti à 5 kV/µs, il y a peu d’avantage en pertes de commutation par rapport à la solution IGBT. Cependant, en raison des caractéristiques directes linéaires, le MOSFET affiche des pertes de conduction beaucoup plus faibles.

Figure 3. Caractéristique de couple vs. vitesse d’une pompe centrifuge. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Les pertes et l’efficacité pour un variateur complet de 15 kW (y compris l’entrée diode, les condensateurs de lien CC et l’inverseur) sont montrées à la Figure 4 pour un IGBT Si (gris) et un MOSFET SiC (rouge).

Figure 4. Pertes et efficacité du variateur de 15 kW. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Les résultats montrent un avantage clair en pertes pour SiC sur l’ensemble de la plage de vitesse applicable. Les pertes dans le variateur équipé SiC sont 7 % inférieures à la version Si à basse vitesse et 22 % inférieures à pleine vitesse. Cela équivaut à une augmentation de l’efficacité totale de 0.6 % à basse vitesse et de 0.5 % à haute vitesse. Ces valeurs peuvent être équivalentes à des économies réelles en examinant le temps passé à différentes vitesses de fonctionnement pour un variateur pendant son fonctionnement. L’estimation de la charge annuelle à la Figure 5 est basée sur l’application typique d’un variateur de pompe industrielle. Si les pertes à chaque point de charge sont calculées, l’énergie totale perdue sur une année peut être déterminée pour chaque variateur.

Figure 5. Variateur de pompe, distribution de charge moyenne annuelle. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Au cours d’une année, le variateur équipé SiC n’a que 377 kWh de dépense énergétique accumulée contre les 651 kWh du variateur équipé Si. Cette réduction de 42 % de l’énergie a des implications environnementales et financières réelles. Les gaz à effet de serre sont réduits de 125 kg-CO₂ par an (mélange mondial, 2023). Le coût accru du variateur équipé SiC est compensé après un an dans un pays comme l’Allemagne (0,20 €/kWh, 2023), ou en moins de trois ans dans un pays comme les États-Unis, qui ont des coûts d’électricité nettement inférieurs.

Enfin, il existe des avantages physiques à utiliser le SiC, car un variateur d’une certaine puissance peut être fabriqué plus petit en utilisant le SiC. D’autres simulations ont montré que les pertes de puissance en semi-conducteurs inférieures avec le SiC permettent une réduction du volume des dissipateurs thermiques jusqu’à 71 % pour la même élévation de température. Pour les variateurs industriels, cela signifie que le flux d’air et le nombre de ventilateurs de refroidissement peuvent être réduits. De plus, le panneau et l’armoire dans lequel le variateur est installé peuvent être plus petits et plus légers, réduisant ainsi les coûts en matériaux, logistique et installation. En revanche, si le même design thermique est maintenu, la puissance de sortie pour une taille de cadre de variateur donnée peut être augmentée jusqu’à 25 %.

Modules de Puissance SiC

Pour répondre aux besoins des fabricants de variateurs, Semikron Danfoss propose des modules de puissance SiC dans des topologies et des packages courants (Figure 6). Les SEMITOP E, MiniSKiiP et SEMITRANS Classic sont tous disponibles avec le nouvel IGBT de génération 4 de ROHM, offrant une capacité de court-circuit et un contrôle de grille unipolaire. Ces dispositifs sont compatibles avec les dispositifs Si existants et sont disponibles avec des matériaux d’interface thermique pré-appliqués à haute performance. Pour la fiabilité de cycle de puissance la plus élevée, des puces frittées sont disponibles dans le boîtier MiniSKiiP. Celles-ci permettent l’utilisation de SiC dans des applications avec des pics de surcharge sévères tels que les servos ou les variateurs robotiques.

Figure 6. Modules de puissance équipés SiC. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

L’ensemble du Tableau

Les deux exemples offrent un aperçu des nouvelles libertés que les fabricants de variateurs et les utilisateurs finaux obtiennent en passant au SiC, même sans pousser le matériau à sa limite. Pour des applications de variateurs spécialisés telles que les moteurs à grande vitesse dans les turbo-compresseurs, des avantages supplémentaires peuvent être obtenus. Ces cas ne sont souvent pas limités par les restrictions de dv/dt et de fréquence de commutation mentionnées ici.

Une comparaison de coûts est dépourvue de sens si elle se fait au niveau du module. La vision doit être élargie pour inclure le système de variateur et le coût total de possession. Dans ce cas, le SiC apporte des avantages globaux qui surpassent le coût plus élevé du module. Avec des performances élevées et une nouvelle robustesse, le SiC est le choix pour la prochaine génération de variateurs industriels.

Cet article est apparu à l’origine dans Bodo’s Power Systems [] magazine.