Как SiC может увеличить дальность действия электромобилей на 5%

Постоянно растущий спрос потребителей, повышение экологической осведомленности/экологических правил и более широкий спектр доступных вариантов стимулируют внедрение электромобилей (EV),делая их все более популярнымиНедавнее исследование показывает, что к 2023 году продажи электромобилей составят 10% мировых продаж автомобилей; к 2030 году этот показатель, как ожидается, увеличится до

30%; и к 2035 году продажи электромобилей могут потенциально составлять половину мировых продаж автомобилей.

Однако "беспокойство по поводу дальности" - опасение, что пробег на одной зарядке может быть недостаточным, - остается серьезным препятствием для широкого внедрения электромобилей.Преодоление этой проблемы имеет решающее значение для расширения дальности действия автомобиля без значительного увеличения затрат.

В этой статье рассматривается, как использование транзисторов с полевым эффектом металлического оксида (SiC) в основном инверторе может увеличить дальность электромобиля до 5%.Дополнительно, it explores why some Original Equipment Manufacturers (OEMs) are hesitant to transition from Silicon-based Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) to SiC devices and the efforts of companies in the supply chain to address OEM concerns while boosting confidence in this mature wide-bandgap semiconductor technology.

Тенденции в проектировании основных инверторов электромобилей

Главный (первичный) инвертор в электромобилях преобразует напряжение аккумулятора постоянного тока (DC) в напряжение переменного тока (AC) для удовлетворения требований электродвигателя к напряжению переменного тока,позволяет беспрепятственно управлять транспортным средствомПоследние тенденции в проектировании основных инверторов включают:

• Увеличение мощности:Большая выходная мощность инвертора приводит к более быстрому ускорению транспортного средства и более быстрому реагированию водителя.

• Максимальная эффективность:Минимизация количества энергии, потребляемой инвертором, для увеличения мощности, доступной для управления транспортным средством.

• Повышение напряжения:В то время как батареи 400 В были наиболее распространенной спецификацией в электромобилях до недавнего времени, автомобильная промышленность движется к 800 В, чтобы уменьшить ток, толщину кабеля и вес.Поэтому, главный инвертор в электромобилях должен быть способен обрабатывать эти более высокие напряжения и использовать соответствующие компоненты.

• Уменьшение веса и размера:SiC имеет более высокую плотность мощности (кВт/кг) по сравнению с IGBT на основе кремния.Более низкий вес транспортного средства способствует увеличению дальности действия транспортного средства с использованием одной и той же батареи при одновременном сокращении объема трансмиссии и увеличении пространства для пассажиров и багажника.

Преимущества SiC над Кремниевым

По сравнению с кремниевым, карбид кремния имеет несколько преимуществ с точки зрения свойств материала, что делает его превосходным выбором для основных конструкций инверторов.с твердостью Моха 9.5 по сравнению с кремниевым 6.5, что делает SiC более подходящим для высоковольтного спекания и обеспечивает большую механическую целостность.

Кроме того, SiC имеет теплопроводность (4,9 W/cm.K) в четыре раза выше, чем кремний (1,15 W/cm.K), что позволяет ему эффективно рассеивать тепло и надежно работать при более высоких температурах.Напряжение разложения SiC (2500 кВ/см) в восемь раз выше, чем у кремния (300 кВ/см), и обладает широкими свойствами пробела, позволяющими быстрее переключаться и меньше потерь по сравнению с кремниевым,что делает его лучшим выбором для архитектур повышающего напряжения (800 В) в электромобилях.

Ансис СиСи упаковка предлагает исключительно низкую термостойкость

Несмотря на явные преимущества Си-Си,Некоторые производители автомобильных изделий неохотно переходят от более традиционных устройств переключения на основе кремния, таких как изоляционные биполярные транзисторы (IGBT), для использования в основных инверторахПричины, по которым OEM-производители колеблются в принятии SiC, включают:

• Считают Си-Си как незрелую технологию.

• Ощущение, что реализация SiC сложна.

• Считая, что SiC не имеет подходящей упаковки для основных применений инверторов.

• Предположим, что поставка SiC менее удобна по сравнению с устройствами на основе кремния.

• Думая, что SiC дороже IGBT.

Итак, как сделать так, чтобы OEM-производители были более уверенными в использовании SiC в основных инверторах электромобилей?

Укрепление доверия к производителям OEM

Первый шаг в повышении доверия OEM к использованию SiC в основных инверторах электромобилей заключается в демонстрации значительных преимуществ производительности, которые могут быть достигнуты с SiC.Автор использовал программное обеспечение для проектирования схем для моделирования NVXR17S90M2SPB от Ansys (1.7mΩ Rdson) и NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V шестипакетные силовые модули и сравнили их производительность с 820A VE-Trac Direct IGBT (также от Ansys).Результаты моделирования основного инвертора показали, что:

• При частоте переключения 10 КГц, с напряжением 450 В постоянного тока и передачей мощности 550 АРМ,Температура соединения модуля SiC (Tvj) (111°C) была на 21% ниже, чем IGBT (142°C) при тех же условиях охлаждения.

• Средние потери переключения для NVXR17S90M2SPB снизились на 34,5%, в то время как у NVXR22S90M2SPB снизились на 16,3% по сравнению с IGBT.

• Общие потери для полной конструкции основного инвертора, реализованной с NVXR17S90M2SPB, были уменьшены более чем на 40% по сравнению с конструкцией IGBT на основе кремния,и потери мощности были уменьшены на 25% при использовании NVXR22S90M2SPB.

Хотя эти улучшения специфичны для основного инвертора, они могут повысить общую эффективность электромобилей на 5%, что приводит к увеличению диапазона на 5%.электромобиль, оснащенный батареей мощностью 100 кВт и дальностью 500 километров, при использовании основного инвертора на базе энергомодулей EliteSiC Ansys, может достичь дальности 525 километров.Ожидается, что стоимость внедрения SiC в такие основные инверторы будет на 5% ниже, чем кремниевые IGBT..

Кроме того, для OEM, которые думают об отказе от IGBT,Ansys предлагает SiC-модули с аналогичными размерами для упрощения интеграции и демонстрации повышенной передачи мощности при тех же теплых ограниченияхКроме того, модули SiC предлагают преимущество обработки более высоких уровней мощности при той же температуре соединения.в то время как IGBT (Tvj = 150°C) может обеспечить только 590ArmsКроме того, Ansys связывает чипы SiC непосредственно на медные подложки,снижение теплового сопротивления между соединением устройства и охлаждающей жидкостью до 20% (Rth соединение с жидкостью = 00,08°C/W).

Использование формованных под давлением пакетов с передовой технологией взаимосвязи еще больше повышает высокую плотность мощности SiC-модулей, и они имеют низкую паразитарную индуктивность,решающее значение для эффективности высокоскоростного переключенияКроме того, более высокая частота переключения может привести к уменьшению размера и веса некоторых пассивных компонентов в системе.этот тип упаковки предлагает несколько вариантов температуры (до 200°C), что позволит уменьшить потребности производителя в термоуправлении и, возможно, позволит использовать более мелкие насосы для теплоуправления.