چگونه SiC می تواند محدوده خودروهای الکتریکی را 5 درصد افزایش دهد

تقاضای مداوم مصرف کنندگان، افزایش آگاهی زیست محیطی / مقررات زیست محیطی و طیف گسترده ای از گزینه های موجود، پذیرش وسایل نقلیه الکتریکی (EV) را هدایت می کند.باعث شده که آن ها به طور فزاینده ای محبوب باشند.یک مطالعه اخیر نشان می دهد که تا سال 2023، فروش خودروهای الکتریکی 10 درصد از فروش جهانی خودرو را تشکیل می دهد؛ تا سال 2030، انتظار می رود این رقم به

30٪؛ و تا سال 2035، فروش خودروهای الکتریکی می تواند به طور بالقوه نیمی از فروش جهانی خودرو را تشکیل دهد.

با این حال، "اضطراب محدوده" ، نگرانی از اینکه مایل پوشش داده شده با یک بار شارژ ممکن است کافی نباشد ، همچنان یک مانع قابل توجهی برای پذیرش گسترده وسایل نقلیه الکتریکی است.غلبه بر این چالش برای گسترش دامنه خودرو بدون افزایش قابل توجهی هزینه ها بسیار مهم است.

این مقاله بحث می کند که چگونه استفاده از ترانزیستورهای اثر میدان فلزی اکسید نیمه هادی سیلیکون (SiC) در اینورتر اصلی می تواند محدوده خودرو الکتریکی را تا 5٪ افزایش دهد.علاوه بر این, 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.

روند طراحی اینورتر اصلی خودروهای الکتریکی

اینورتر اصلی در وسایل نقلیه الکتریکی ولتاژ باتری جریان ثابت (DC) را به ولتاژ جریان متناوب (AC) تبدیل می کند تا نیازهای ولتاژ متناوب موتور کشش الکتریکی را برآورده کند.که به آن اجازه می دهد تا خودرو را به آرامی رانندگی کند.آخرین روند در طراحی اینورتر اصلی شامل:

• افزایش قدرت:قدرت خروجی اینورتر بزرگتر منجر به شتاب سریعتر خودرو و پاسخ سریع تر برای راننده می شود.

• به حداکثر رساندن کارایی:به حداقل رساندن مقدار انرژی مصرف شده توسط اینورتر برای افزایش قدرت موجود برای رانندگی خودرو.

• ولتاژ افزايش:در حالی که باتری های 400 ولت تا همین اواخر رایج ترین مشخصات خودروهای الکتریکی بوده اند، صنعت خودرو در حال حرکت به سمت 800 ولت برای کاهش جریان، ضخامت کابل و وزن است.بنابراین، اینورتر اصلی در وسایل نقلیه الکتریکی باید قادر به مدیریت این ولتاژ های بالاتر و استفاده از اجزای مناسب باشد.

• کاهش وزن و اندازه:SiC دارای تراکم قدرت بالاتر (kW / kg) در مقایسه با IGBT های مبتنی بر سیلیکون است. تراکم قدرت بالاتر به کاهش اندازه سیستم (kW / L) ، سبک کردن اینورتر اصلی و کاهش بار بر روی موتور کمک می کند.وزن کمتر وسیله نقلیه به گسترش محدوده خودرو با استفاده از همان باتری کمک می کند در حالی که حجم سیستم انتقال را کاهش می دهد و فضای مسافران و چمدان را افزایش می دهد.

مزایایی که SiC نسبت به سیلیکون دارد

در مقایسه با سیلیکون، کربید سیلیکون از نظر خواص مواد مزایای متعددی را ارائه می دهد که آن را به یک انتخاب برتر برای طراحی های اصلی اینورتر تبدیل می کند.با درجه سختی Mohs 9.5 در مقایسه با سیلیکون 65، باعث می شود SiC برای سینتر کردن ولتاژ بالا مناسب تر باشد و یکپارچگی مکانیکی بیشتری را فراهم کند.

علاوه بر این، SiC دارای رسانایی حرارتی (۴٫۹W/cm.K) چهار برابر سیلیکون (۱٫۱۵W/cm.K) است، که به آن اجازه می دهد به طور موثر گرما را از بین ببرد و در دمای بالاتر به طور قابل اعتماد کار کند.ولتاژ تجزیه SiC (2500kV/cm) هشت برابر بیشتر از سیلیکون (300kV/cm) است، و دارای خواص باند گپ گسترده ای است که امکان تغییر سریعتر و از دست دادن کمتری در مقایسه با سیلیکون را فراهم می کند،این باعث می شود که آن را انتخاب بهتری برای ارتقاء ولتاژ (800V) معماری در وسایل نقلیه الکتریکی.

بسته بندی Ansys SiC مقاومت حرارتی بسیار پایین را ارائه می دهد

با وجود مزاياي واضح سي سيبرخی از سازندگان خودرو از انتقال از دستگاه های سوئیچینگ سنتی مبتنی بر سیلیکون مانند ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) برای استفاده در اینورتر اصلی خودداری کرده انددلايل ترديد سازندگان OEM در استفاده از سي سي شامل:

• که SiC رو به عنوان یک تکنولوژی نابالغ میبینند.

• به نظرم اجرای SiC چالش برانگیز است.

• با این باور که SiC بسته بندی مناسب برای کاربردهای اصلی اینورتر را ندارد.

• فرض کنیم که عرضه SiC در مقایسه با دستگاه های مبتنی بر سیلیکون کمتر راحت باشد.

• فکر مي کنم که سي سي سي از آي جي بي تي گران تر است

پس چگونه می توان OEM ها را در استفاده از SiC در اینورترهای اصلی خودروهای الکتریکی مطمئن تر کرد؟

افزایش اعتماد به نفس OEM

اولین گام برای افزایش اعتماد OEM به استفاده از SiC در اینورترهای اصلی خودروهای الکتریکی نشان دادن مزایای عملکرد قابل توجهی است که با SiC حاصل می شود.نویسنده از نرم افزار طراحی مدار برای شبیه سازی NVXR17S90M2SPB Ansys استفاده کرده است..7mΩ Rdson) و NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) ماژول های قدرت شش بسته EliteSiC Power 900V و عملکرد آنها را با 820A VE-Trac Direct IGBT (همچنین از Ansys) مقایسه کرد.نتایج شبیه سازی برای طراحی اصلی اینورتر نشان داد که:

• در فرکانس سوئیچینگ 10KHz، با ولتاژ بس 450V DC و انتقال قدرت 550Arms،دمای اتصال ماژول SiC (Tvj) (111°C) 21% پایین تر از IGBT (142°C) در شرایط خنک کننده مشابه بود.

• از دست دادن میانگین سوئیچینگ برای NVXR17S90M2SPB 34.5٪ کاهش یافت، در حالی که NVXR22S90M2SPB 16.3٪ در مقایسه با IGBT کاهش یافت.

• در مقایسه با طراحی IGBT مبتنی بر سیلیکون، تلفات کلی برای طراحی کامل اینورتر اصلی که با NVXR17S90M2SPB اجرا شده است، بیش از 40٪ کاهش یافته است.و از دست دادن قدرت با استفاده از NVXR22S90M2SPB 25 درصد کاهش یافته است.

اگر چه این پیشرفت ها برای اینورتر اصلی خاص هستند، اما می توانند کارایی کلی وسایل نقلیه الکتریکی را تا 5٪ افزایش دهند و در نتیجه 5٪ دامنه را افزایش دهند.یک وسیله نقلیه الکتریکی مجهز به یک باتری 100kW و یک محدوده 500 کیلومتری، در صورت استفاده از یک اینورتر اصلی بر اساس ماژول های قدرت EliteSiC Ansys، می تواند 525 کیلومتر را به دست آورد.انتظار می رود هزینه اجرای SiC در چنین اینورترهای اصلی 5٪ کمتر از سیلیکون IGBT باشد..

علاوه بر این، برای سازندگان OEM که در نظر دارند IGBT ها را رها کنند،Ansys ماژول های SiC را با اندازه های مشابه ارائه می دهد تا ادغام را ساده تر کند و انتقال قدرت را در محدوده های حرارتی مشابه نشان دهدعلاوه بر این، ماژول های SiC مزیت مدیریت سطوح قدرت بالاتر را در همان دمای اتصال ارائه می دهند. به عنوان مثال، NVXR17S90M2SPB می تواند 760Arms،در حالی که IGBT (Tvj = 150°C) فقط می تواند 590Arms را ارائه دهدعلاوه بر این، Ansys تراشه های SiC را مستقیماً به زیربناهای مس متصل می کند.کاهش مقاومت حرارتی بین اتصال دستگاه و مایع خنک کننده تا 20٪ (Rth اتصال به مایع = 0.08°C/W)

استفاده از بسته های قالب بندی تحت فشار با تکنولوژی پیشرفته اتصال، تراکم قدرت بالای ماژول های SiC را افزایش می دهد و دارای نفوذ انگل کم هستند.مهم برای بهره وری سوئیچینگ با سرعت بالاعلاوه بر این، فرکانس سوئیچینگ بالاتر می تواند منجر به کاهش اندازه و وزن برخی از اجزای منفعل در سیستم شود.این نوع بسته بندی گزینه های مختلف دمایی (تا 200 درجه سانتیگراد) را ارائه می دهد، کاهش الزامات مدیریت حرارتی OEM و به طور بالقوه اجازه استفاده از پمپ های کوچکتر برای مدیریت حرارتی.