Vorteile eines Siliziumkarbid-Wechselrichters für Elektrofahrzeuge (EVs)

Die Siliziumkarbid-Invertertechnologie ist eine interessante Weiterentwicklung der Leistungshalbleiter. Sie bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Silizium-Bauelementen, darunter bis zu zehnmal geringere Leistungsverluste und eine verbesserte thermische Leistung.

McLaren Applied setzt einen CoolSiC-Hochspannungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ein, der speziell für Hochspannungssysteme mit 800 Volt ausgelegt ist, wie sie in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge zu finden sind.

Leistungsdichte

Die Leistungsdichte bezieht sich auf die Menge an Strom, die ein Wechselrichter pro Volumeneinheit erzeugen kann. Dies ist ein wichtiger Aspekt bei Elektrofahrzeuganwendungen, die mit hohen Spannungen und Frequenzen arbeiten müssen, um eine maximale Energieeffizienz zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die Hersteller die Gesamtgröße verringern und gleichzeitig die Ausgangsleistung erhöhen. Siliziumkarbid-Wechselrichter zeichnen sich durch eine sehr hohe Leistungsdichte aus, die sie erheblich kleiner macht als herkömmliche Wechselrichter.

Um die Leistungsdichte zu erhöhen, muss die parasitäre Induktivität begrenzt werden, da eine zu hohe Induktivität Probleme wie Spannungsschwingungen und erhöhte EMI-Emissionen verursachen sowie Niederspannungssignale von Stromsensoren stören kann. Um die Induktivität wirksam zu begrenzen, sollten die Konstrukteure bei der Entwicklung dieser Lösungen die Spezifikationen der Leistungsmodule, die Bustechnologie, die Zwischenkreiskondensatoren und den thermischen Stackup sorgfältig berücksichtigen.

Dank der großen Bandlücke von Siliziumkarbid können Transistoren höhere Spannungen und Temperaturen vertragen als typische Silizium-Halbleiter, was höhere Betriebsfrequenzen ermöglicht, die den Wirkungsgrad erhöhen und gleichzeitig die Leistungsverluste verringern. Darüber hinaus ist Siliziumkarbid ein hervorragender Wärmeleiter, dreimal besser als Silizium und nur von Diamant übertroffen.

Die NREL-Forschung im Bereich des Wärmemanagements von Leistungsmodulen mit breiter Bandlücke ermöglichte die Entwicklung einer forcierten Luftkühlung für SiC-Wechselrichter, mit der der Platzbedarf der Komponenten verringert, die Leistung und der Wirkungsgrad verbessert und der Betrieb mit höheren Frequenzen für Hochleistungsanwendungen unterstützt werden kann.

Wirkungsgrad

Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge (EVs) spielt eine enorme Rolle für die Effizienz (und damit für Reichweite und Ladezeiten). Insbesondere ein Wechselrichter spielt eine wesentliche Rolle bei der Umwandlung der in den Batterien gespeicherten Gleichstromenergie in die zum Fahren benötigte Wechselstromenergie. Die Siliziumkarbid (SiC)-Technologie könnte eine Lösung für diese hohen Spannungsanforderungen bieten; sie wird bereits in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge eingesetzt.

SiC-Halbleiterbauelemente haben die traditionellen bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT) in den Schatten gestellt. Sie können bei höheren Temperaturen betrieben werden und weisen höhere Durchbruchsfelder bei gleichzeitig besserer Wärmeleitfähigkeit auf - das bedeutet, dass mehr Strom bei geringeren Verlusten und verbesserter Effizienz geliefert werden kann.

Dank der großen Bandlücke von SiC können die daraus hergestellten Bauelemente wesentlich höheren Spannungen und Temperaturen standhalten als die Gegenstücke aus Silizium (Si), was zu weniger Ausfällen und einer höheren Zuverlässigkeit im Laufe der Zeit führt - ein besonders wertvolles Attribut bei Wechselrichtern, bei denen die langfristige Zuverlässigkeit für den langfristigen Betrieb entscheidend ist.

Um die Effektivität eines Siliziumkarbid-Wechselrichters zu maximieren, muss sein Designprozess seine Vorteile berücksichtigen. Dazu gehören ein sorgfältiges PCB-Layout, eine effiziente Stromführung und der effektive Einsatz von Wärmemanagementtechniken. Darüber hinaus müssen strenge Prüf- und Qualitätssicherungsverfahren angewandt werden, um zu gewährleisten, dass das Endprodukt die angestrebten Leistungs-, Effizienz- und Zuverlässigkeitsziele erfüllt - einschließlich Funktionstests, Analysen zur Charakterisierung der elektrischen Leistung und Effizienzmessungen.

Verlässlichkeit

Siliziumkarbid (SiC) ist ein extrem hartes Verbindungshalbleitermaterial. Darüber hinaus verfügt es über eine hervorragende Wärmebeständigkeit und eine höhere Durchbruchspannung - Eigenschaften, die es ideal für Hochspannungsanwendungen wie Wechselrichter machen.

Wechselrichter aus Siliziumkarbid sind dank der Fortschritte bei den Fertigungstechniken zuverlässiger geworden. Dazu gehören neue PCB-Layouts und Wärmemanagementstrategien. Diese Entwürfe erleichtern die Verringerung des Rauschens, die Erhöhung des Wirkungsgrads, die Bewältigung hoher Ströme und die Bewältigung höherer Ströme ohne Überhitzung, die Verbesserung der Messmöglichkeiten für die thermische Charakterisierung, die den Herstellern hilft, Probleme schnell zu erkennen, sowie die Gewährleistung der Einhaltung von Sicherheitsstandards und Vorschriften zur elektromagnetischen Verträglichkeit.

SiC-MOSFETs unterscheiden sich von herkömmlichen Si-Transistoren durch ihren geringeren Widerstand pro Fläche, was die Leitungsverluste reduziert und die Effizienz verbessert. Darüber hinaus können sie bei höheren Temperaturen und Spannungen arbeiten als ihre herkömmlichen Si-Pendants, was sie zur besten Wahl für Traktionswechselrichter in Elektrofahrzeugen macht, die einen größeren Leistungsbereich für längere Fahrstrecken benötigen.

EV-Wechselrichter sind Schlüsselkomponenten in den elektrischen Systemen von Elektrofahrzeugen. Sie wandeln Gleichstrom aus den Batterien in Wechselstrom für den Motorbetrieb und wieder in Gleichstrom für das regenerative Bremsen um. Als solche sind sie ein integraler Bestandteil des Antriebsstrangs von Elektrofahrzeugen und müssen zuverlässig sein. Ingenieure haben mit verschiedenen Technologien experimentiert; Drive System Design hat kürzlich ein modulares Wechselrichterdesign mit einer offenen Plattform entwickelt, um die Entwicklungszeit zu verkürzen und gleichzeitig eine robuste Leistung zu bieten.

Gewicht

Siliziumkarbid-Wechselrichter können wesentlich leichter sein als ihre herkömmlichen Gegenstücke. Ihr geringeres Gewicht ermöglicht eine einfachere Installation und einen einfacheren Betrieb sowie eine größere Energieeinsparung und niedrigere Gesamtsystemkosten; ihre verbesserte Effizienz kann sogar die Reichweite Ihres E-Fahrzeugs verlängern!

Siliziumkarbid-Wechselrichter bieten viele Vorteile, die über die Gewichtsreduzierung hinausgehen, wie z. B. die Verbesserung der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads. Ihre höhere Schaltfrequenz ermöglicht es Ingenieuren, Schaltungstopologien zu vereinfachen und die Anzahl der Komponenten zu reduzieren, was zu größeren Einsparungen bei den Montagekosten führt; folglich sind diese Wechselrichter auch kostengünstiger und erschwinglicher in der Anschaffung und Wartung.

Die überragende Temperaturbeständigkeit von Siliziumkarbid ermöglicht es Ingenieuren, die Schaltfrequenz von Wechselrichtern zu erhöhen und damit die thermische Belastung zu verringern, Resonanzfrequenzen zu vermeiden und den Ripplestrom zu reduzieren, was wiederum zu geringeren Verlusten führt. Mit den Siliziumkarbid-MOSFETs der 3. Generation von ROHM können Ingenieure diese Vorteile nutzen, ohne dass ein externer Push-Pull-Puffer erforderlich ist.

Siliziumkarbid ist ein Material mit extrem breiter Bandlücke, das bei höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen arbeiten kann als typische Silizium-Halbleiter. Außerdem war es aufgrund seiner extremen Härte einst die härteste synthetische Substanz auf der Erde, bevor die Entdeckung von Borkarbid erfolgte. Siliziumkarbid wird in vielen Bereichen eingesetzt, u. a. bei der Konstruktion von Schutzwesten und als Schleifmittel für Schleifpapier sowie in verschiedenen industriellen Anwendungen.