SiC elektrikli araçların menzilini nasıl % 5 artırabilir?

Sürekli artan tüketici talebi, artan çevresel farkındalık/çevresel düzenlemeler ve mevcut seçeneklerin daha geniş bir yelpazesi, elektrikli araçların (EV'ler) benimsenmesini yönlendiriyor.Onları gittikçe daha popüler hale getirmekYakın zamanda yapılan bir çalışmada, 2023 yılına kadar elektrikli araç satışlarının küresel otomobil satışlarının %10'unu oluşturacağı belirtildi.

%30; ve 2035 yılına kadar elektrikli araç satışları potansiyel olarak küresel otomobil satışlarının yarısını oluşturabilir.

Bununla birlikte, "menzil kaygısı", tek bir şarjla kaplanan kilometrenin yeterli olmayacağı endişesi, elektrikli araçların yaygın olarak benimsenmesine önemli bir engel olmaya devam ediyor.Bu zorluğun üstesinden gelmek, maliyetleri önemli ölçüde arttırmadan aracın menzilini genişletmek için çok önemlidir.

Bu makalede, ana inverterde Silikon Karbid (SiC) Metal-Oksit-Yarı iletken Alan Etkisi Transistörleri (MOSFET) kullanmanın elektrikli aracın menzilini% 5'e kadar nasıl genişletebileceği ele alınıyor.Ek olarak, 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.

Elektrikli Araç Ana Dönüştürücü Tasarımındaki Eğilimler

Elektrikli araçlardaki ana (birincil) inverter, elektrikli çekiş motorunun AC voltaj gereksinimlerini karşılamak için sürekli akım (DC) pil voltajını alternatif akım (AC) voltajına dönüştürür.Aracın sorunsuz sürülmesini sağlar.Ana inverter tasarımında en son trendler şunları içerir:

• Güç artışı:Daha büyük bir inverter çıkış gücü, aracın daha hızlı hızlanmasına ve sürücü için daha hızlı yanıt vermesine yol açar.

• Verimliliği artırmak:Aracı sürmek için mevcut gücü artırmak için inverter tarafından tüketilen enerji miktarını en aza indirmek.

• Yükseltme Voltajı:400V piller yakın zamana kadar elektrikli araçlarda en yaygın özellikken, otomotiv endüstrisi akımı, kablo kalınlığını ve ağırlığı azaltmak için 800V'ye doğru ilerliyor.Bu yüzden..., elektrikli araçlardaki ana inverter bu daha yüksek voltajları idare edebilmeli ve uygun bileşenleri kullanmalıdır.

• Ağırlık ve Boyut Düşürme:SiC, silikon tabanlı IGBT'lere kıyasla daha yüksek bir güç yoğunluğuna (kW / kg) sahiptir.Aracın daha düşük ağırlığı, aynı pil kullanılarak aracın menzilinin genişlemesine katkıda bulunurken, aktarım sisteminin hacmini azaltır ve yolcu ve bagaj alanını artırır.

SiC'nin Silikon'a karşı avantajları

Silikon ile karşılaştırıldığında, Silikon Karbid, malzeme özellikleri açısından birkaç avantaj sunar, bu da ana inverter tasarımları için üstün bir seçim haline getirir.Mohs sertliği derecesi 9Silikon'un 6'sına kıyasla 0.5'dir.5, SiC'yi yüksek voltajlı sinterleme için daha uygun hale getirir ve daha büyük mekanik bütünlük sağlar.

Ayrıca, SiC'nin sıcaklık iletkenliği (4,9W/cm.K) silikonun (1,15W/cm.K) dört katı olup, ısıyı etkili bir şekilde dağıtmasına ve daha yüksek sıcaklıklarda güvenilir bir şekilde çalışmasına olanak tanır.SiC'nin parçalanma voltajı (2500kV/cm) silikondan sekiz kat daha yüksektir (300kV/cm), ve silikona kıyasla daha hızlı geçiş ve daha düşük kayıpları sağlayan geniş bant boşluğu özelliklerine sahiptir,Elektrikli araçlardaki artan voltaj (800V) mimarileri için daha iyi bir seçim.

Ansys SiC Paketleri Olağanüstü Düşük Isı Direnci Sunar

SiC'nin açık avantajlarına rağmen,Bazı otomotiv OEM'leri, ana inverterde kullanılmak üzere yalıtılmış kapı bipolar transistörleri (IGBT) gibi daha geleneksel silikon tabanlı anahtarlama cihazlarından geçmeye isteksiz oldular.OEM'lerin SiC'yi benimsemekte tereddüt etmelerinin nedenleri şunlardır:

• SiC'yi olgunlaşmamış bir teknoloji olarak algılıyorlar.

• SiC uygulamasını zor buluyorum.

• SiC'nin ana inverter uygulamaları için uygun bir ambalajı olmadığını düşünüyoruz.

• SiC kaynağının silikon tabanlı cihazlarla karşılaştırıldığında daha az uygun olduğunu varsayarsak.

• SiC'nin IGBT'lerden daha pahalı olduğunu düşünüyor.

Peki, OEM'leri SiC'yi elektrikli araçların ana invertörlerinde kullanma konusunda nasıl daha emin hale getirilebilir?

OEM Güvenini Artırmak

SiC'yi elektrikli araçların ana invertörlerinde kullanma konusunda OEM güvenini artırmak için ilk adım, SiC ile elde edilebilecek önemli performans avantajlarını göstermektir.Yazar Ansys'in NVXR17S90M2SPB'sini simüle etmek için devre tasarımı yazılımı kullandı (1.7mΩ Rdson) ve NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V altı paketli güç modülleri ve performanslarını 820A VE-Trac Direct IGBT (aynı zamanda Ansys'ten) ile karşılaştırdı.Ana invertör tasarımı için simülasyon sonuçları gösterdi ki::

• 450V DC bas voltajı ve 550Arms güç aktarımı ile 10KHz anahtarlama frekansında,SiC modülünün bağlantı sıcaklığı (Tvj) (111°C) aynı soğutma koşullarında IGBT'den (142°C) %21 daha düşüktü..

• NVXR17S90M2SPB için ortalama anahtarlama kayıpları% 34,5 oranında azalırken, NVXR22S90M2SPB için IGBT'e kıyasla% 16,3 oranında azalmıştır.

• NVXR17S90M2SPB ile uygulanan tam ana inverter tasarımı için toplam kayıplar, silikon tabanlı bir IGBT tasarımı ile karşılaştırıldığında% 40'tan fazla azalmıştır.ve güç kaybı NVXR22S90M2SPB kullanıldığında %25 azalmıştır..

Bu iyileştirmeler ana invertere özgü olsa da, elektrikli araçların genel verimliliğini %5 oranında artırabilir ve sonuç olarak menzilin %5 oranında artmasına neden olabilir.100kW pil ve 500 kilometre menzilli elektrikli bir araç, Ansys'in EliteSiC güç modüllerine dayalı bir ana invertör kullanıldığında, 525 kilometre menzile ulaşabilir.SiC'yi bu ana invertörlere uygulamanın maliyetinin silikon IGBT'lerden% 5 daha düşük olması bekleniyor..

Ayrıca, IGBT'lerden vazgeçmeyi düşünen OEM'ler için,Ansys, entegrasyonu basitleştirmek ve aynı termal kısıtlamalar içinde daha fazla güç aktarımı göstermek için benzer boyutlara sahip SiC modülleri sunar.Ek olarak, SiC modülleri aynı bağlantı sıcaklığında daha yüksek güç seviyelerini işleme getirme avantajını sunar. Örneğin, NVXR17S90M2SPB, 760Arms,IGBT (Tvj = 150°C) sadece 590Arms sağlayabilirkenAyrıca Ansys SiC çiplerini doğrudan bakır altyapılara bağlar.Aygıt bağlantısı ile soğutma sıvısı arasındaki termal direnci %20'ye kadar azaltmak (sıvıya Rth bağlantı = 0.08°C/W).

Gelişmiş bağlantı teknolojisine sahip basınçlı kalıplı paketlerin kullanılması, SiC modüllerinin yüksek güç yoğunluğunu daha da artırır ve düşük parazitik indüktansa sahiptir.Yüksek hızlı anahtarlama verimliliği için çok önemlidir.Üstelik, daha yüksek anahtarlama frekansı, sistemin içindeki bazı pasif bileşenlerin boyut ve ağırlığının azaltılmasına neden olabilir.Bu ambalaj türü birden fazla sıcaklık seçeneği sunar (200°C'ye kadar), OEM'in ısı yönetimi gereksinimlerini azaltır ve potansiyel olarak ısı yönetimi için daha küçük pompaların kullanılmasına izin verir.