Jak SiC może zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych o 5%

Nieustannie rosnące zapotrzebowanie konsumentów, rosnąca świadomość środowiskowa/prawodawstwo w zakresie ochrony środowiska oraz szerszy zakres dostępnych opcji napędzają wprowadzenie pojazdów elektrycznych (EV),co czyni je coraz bardziej popularnymi.Według najnowszych badań do 2023 r. sprzedaż pojazdów elektrycznych będzie stanowiła 10% światowej sprzedaży samochodów; do 2030 r. liczba ta ma wzrosnąć do

30%; a do 2035 r. sprzedaż pojazdów elektrycznych może potencjalnie stanowić połowę światowej sprzedaży samochodów.

Jednakże "niepokój o zasięg", czyli obawy, że przebieg na jednym ładowaniu może być niewystarczający, pozostaje poważną przeszkodą w szerokim stosowaniu pojazdów elektrycznych.Pokonanie tego wyzwania ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia zasięgu pojazdu bez znacznego zwiększenia kosztów.

W tym artykule omówiono, w jaki sposób wykorzystanie tranzystorów o działaniu pola MOSFET z węglem krzemu (SiC) w głównym falowniku może zwiększyć zasięg pojazdu elektrycznego nawet o 5%.Dodatkowo, 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.

Trendy w projektowaniu głównych inwerterów pojazdów elektrycznych

Główny (podstawowy) falownik w pojazdach elektrycznych przekształca napięcie akumulatora prądu stałego (DC) w napięcie prądu zmiennego (AC) w celu spełnienia wymogów napędu prądu zmiennego elektrycznego silnika trakcyjnego,umożliwiające płynne prowadzenie pojazduNajnowsze trendy w projektowaniu głównych falowników obejmują:

• Wzrost mocy:Większa moc wyjściowa falownika prowadzi do szybszego przyspieszenia pojazdu i szybszego reagowania kierowcy.

• Maksymalizacja wydajności:Minimalizowanie ilości energii zużywanej przez falownik w celu zwiększenia mocy dostępnej do napędzania pojazdu.

• Wzrost napięcia:Chociaż akumulatory 400V były do niedawna najczęstszą specyfikacją w pojazdach elektrycznych, przemysł motoryzacyjny zmierza w kierunku 800V w celu zmniejszenia prądu, grubości kabli i wagi.Dlatego, główny falownik w pojazdach elektrycznych musi być w stanie obsłużyć te wyższe napięcia i używać odpowiednich komponentów.

• Zmniejszenie wagi i rozmiaru:SiC ma wyższą gęstość mocy (kW/kg) w porównaniu z IGBT na bazie krzemu.Mniejsza masa pojazdu przyczynia się do zwiększenia zasięgu pojazdu przy użyciu tej samej baterii przy jednoczesnym zmniejszeniu objętości układu przesyłowego i zwiększeniu przestrzeni pasażerskiej i bagażnika.

Zalety SiC nad krzemowym

W porównaniu z krzemem węglik krzemowy oferuje kilka zalet pod względem właściwości materiałowych, co czyni go lepszym wyborem dla głównych projektów falowników.o twardości Mohsa 9.5 w porównaniu z silikonem 6.5, co sprawia, że SiC jest bardziej odpowiedni do spiekania wysokonapięciowego i zapewnia większą integralność mechaniczną.

Ponadto SiC ma przewodność cieplną (4,9 W/cm.K) czterokrotnie większą niż w przypadku krzemu (1,15 W/cm.K), co pozwala mu skutecznie rozpraszać ciepło i niezawodnie działać w wyższych temperaturach.Napięcie rozkładu SiC (2500kV/cm) jest ośmiokrotnie wyższe niż w przypadku krzemu (300kV/cm), posiada szerokie właściwości przepustowe, umożliwiające szybsze przełączanie i mniejsze straty w porównaniu z krzemowym,co czyni go lepszym wyborem dla architektury zwiększającego się napięcia (800V) w pojazdach elektrycznych.

Opakowania Ansys SiC oferują wyjątkowo niską odporność cieplną

Pomimo wyraźnych zalet SiCNiektórzy producenci samochodów OEM niechętnie przechodzą od bardziej tradycyjnych urządzeń przełącznikowych na bazie krzemu, takich jak tranzystory dwubiegunowe z izolowanymi bramkami (IGBT) do stosowania w głównym falownikuPrzyczyny, dla których producenci OEM wahają się przyjąć SiC obejmują:

• Uważam, że SiC to niedojrzała technologia.

• Wdrożenie SiC jest trudne.

• Uważając, że SiC nie ma odpowiedniego opakowania do głównych zastosowań z inwerterami.

• Zakładając, że podawanie SiC jest mniej wygodne w porównaniu z urządzeniami na bazie krzemu.

• Myśląc, że SiC jest droższy niż IGBT.

Więc jak OEM mogą mieć większą pewność w użyciu SiC w głównych falownikach pojazdów elektrycznych?

Wzmocnienie zaufania OEM

Pierwszym krokiem w celu zwiększenia zaufania OEM do stosowania SiC w głównych falownikach pojazdów elektrycznych jest wykazanie znaczących korzyści wydajnościowych, jakie można osiągnąć za pomocą SiC.Autor użył oprogramowania do projektowania obwodów do symulacji NVXR17S90M2SPB Ansys'a (1.7mΩ Rdson) i NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V sześciopakowanych modułów zasilania i porównał ich wydajność z 820A VE-Trac Direct IGBT (również od Ansys).Wyniki symulacji projektu głównego falownika wykazały, że:

• Przy częstotliwości przełączania 10KHz, z napięciem 450V DC bus i 550Arms transmisji mocy,Temperatura połączenia modułu SiC (Tvj) (111°C) była o 21% niższa niż IGBT (142°C) w tych samych warunkach chłodzenia.

• Średnie straty przełączania dla NVXR17S90M2SPB zmniejszyły się o 34,5%, podczas gdy straty dla NVXR22S90M2SPB zmniejszyły się o 16,3% w porównaniu z IGBT.

• Ogólne straty dla całej konstrukcji głównego falownika wdrożonej z NVXR17S90M2SPB zostały zmniejszone o ponad 40% w porównaniu z konstrukcją IGBT na bazie krzemu,i straty mocy zostały zmniejszone o 25% przy użyciu NVXR22S90M2SPB.

Chociaż ulepszenia te są specyficzne dla głównego falownika, mogą one zwiększyć ogólną wydajność pojazdów elektrycznych o 5%, co prowadzi do zwiększenia zasięgu o 5%.pojazd elektryczny wyposażony w akumulator o mocy 100 kW i zasięgu 500 kilometrów, przy użyciu głównego falownika opartego na modułach zasilania EliteSiC Ansys, może osiągnąć zasięg 525 kilometrów.Oczekuje się, że koszt wdrożenia SiC w takich głównych falownikach będzie o 5% niższy niż w przypadku krzemowych IGBT..

Ponadto, dla producentów OEM rozważających porzucenie IGBT,Ansys oferuje moduły SiC o podobnych rozmiarach w celu uproszczenia integracji i wykazania zwiększonej transmisji mocy w ramach tych samych ograniczeń termicznychDodatkowo moduły SiC mają zaletę obsługi większych poziomów mocy przy tej samej temperaturze połączenia.podczas gdy IGBT (Tvj = 150°C) może dostarczać tylko 590ArmsDodatkowo Ansys łączy chipy SiC bezpośrednio z substratami miedzianymi.zmniejszenie oporu termicznego pomiędzy połączeniem urządzenia a płynem chłodzącym do 20% (Rth połączenie do płynu = 00,08°C/W).

Wykorzystanie opakowań formowanych na ciśnienie z zaawansowaną technologią połączeń wzajemnych dodatkowo zwiększa wysoką gęstość mocy modułów SiC i charakteryzuje je niska indukcyjność pasożytnicza,kluczowe dla efektywności szybkiego przełączaniaPonadto wyższa częstotliwość przełączania może prowadzić do zmniejszenia wielkości i masy niektórych komponentów pasywnych w systemie.ten rodzaj opakowania oferuje wiele opcji temperatury (do 200°C), zmniejszając wymagania OEM w zakresie zarządzania cieplnym i potencjalnie umożliwiając wykorzystanie mniejszych pomp do zarządzania cieplnym.