A szilícium-karbid inverter előnyei az elektromos járművek (EV-k) számára

A szilícium-karbid inverter technológia egy izgalmas teljesítmény félvezető fejlesztés. Számos előnnyel büszkélkedhet a hagyományos szilíciumeszközökkel szemben, többek között az akár tízszer kisebb teljesítményveszteséggel és a jobb hőteljesítménnyel.

A McLaren Applied egy nagyfeszültségű CoolSiC fémoxid-félvezető terepi hatású tranzisztort (MOSFET) alkalmaz, amelyet kifejezetten az elektromos járművek vontatási invertereiben található nagyfeszültségű, 800 voltos rendszerek kezelésére terveztek.

Teljesítménysűrűség

A teljesítménysűrűség az inverter által térfogategységenként termelhető villamos energia mennyiségére utal, ami fontos szempont az elektromos járműalkalmazásokban, amelyeknek a maximális energiahatékonyság érdekében magas feszültségen és frekvencián kell működniük. E cél eléréséhez a gyártóknak csökkenteniük kell az összméretet, miközben növelik a kimenő teljesítményt - amiben a szilícium-karbid inverterek kiválóan teljesítenek, mivel nagyon nagy teljesítménysűrűségűek, és így lényegesen kisebbek, mint a hagyományos inverterek.

A parazita induktivitást korlátozni kell a megnövelt teljesítménysűrűség érdekében, mivel a túlzott induktivitás olyan problémákat okozhat, mint a feszültségcsengés és a megnövekedett EMI-kibocsátás, valamint zavarhatja az áramérzékelők kisfeszültségű jeleit. Az induktivitás hatékony korlátozása érdekében a tervezőknek gondosan figyelembe kell venniük a tápegységek specifikációit, a kapcsolási technológiát, a DC link kondenzátorokat és a termikus egymásra épülést, amikor ezeket a megoldásokat tervezik.

A szilícium-karbid széles sávszélessége lehetővé teszi, hogy a tranzisztorok magasabb feszültséget és hőmérsékletet tűrjenek, mint a tipikus szilícium félvezetők, ami magasabb működési frekvenciákat tesz lehetővé, ami növeli a hatékonyságot, miközben csökkenti a teljesítményveszteséget. A szilícium-karbid anyag ráadásul kiváló hővezető; háromszor jobb, mint a szilícium, és csak a gyémánt után a második.

Az NREL széles sávszélességű teljesítménymodulok hőkezelésével kapcsolatos kutatásai lehetővé tették számukra a SiC inverterek kényszermeghűtésének kifejlesztését, ami lehetővé teszi az alkatrészek helyigényének csökkentését, a teljesítmény és a hatékonyság javítását, valamint a nagy igénybevételű alkalmazásokhoz szükséges magasabb frekvenciájú működés támogatását.

Hatékonyság

Az elektromos járművek (EV-k) teljesítményelektronikája óriási szerepet játszik a hatékonyságban (és ezáltal a hatótávolságban és a töltési időkben). Különösen az inverter játszik alapvető szerepet, amely az akkumulátorokban tárolt egyenáramú energiát alakítja át a vezetéshez szükséges váltakozó áramú energiává. A szilícium-karbid (SiC) technológia könnyedén megoldást kínálhat ezekre a nagyfeszültségű igényekre; már most is utat tör magának az EV-inverterekbe.

A SiC félvezető eszközök túlszárnyalták a hagyományos szigetelt kapus bipoláris tranzisztorokat (IGBT). Magasabb hőmérsékleten képesek működni, és nagyobb átütési mezővel büszkélkedhetnek, miközben kiváló hővezető képességgel rendelkeznek - ez azt jelenti, hogy kisebb veszteségek és jobb hatásfok mellett nagyobb áramot lehet leadni.

A SiC széles sávszélessége lehetővé teszi, hogy az ebből készült eszközök sokkal magasabb feszültséget és hőmérsékletet bírjanak el, mint a szilícium (Si) társaik, ami kevesebb meghibásodási módot és idővel nagyobb megbízhatóságot eredményez - ez különösen értékes tulajdonság az invertereknél, ahol a hosszú távú megbízhatóság kulcsfontosságú a hosszú távú működéshez.

A szilícium-karbid inverter hatékonyságának maximalizálása érdekében a tervezési folyamatnak figyelembe kell vennie annak előnyeit. Ez magában foglalja a gondos nyomtatott áramköri elrendezést, a hatékony tápvezetést és a hőkezelési technikák hatékony alkalmazását. Ezenkívül szigorú tesztelési és minőségbiztosítási technikákat is alkalmazni kell annak érdekében, hogy a végtermék garantálja a teljesítmény-, hatékonyság- és megbízhatósági célok teljesülését - beleértve a funkcionális tesztelést, az elektromos teljesítmény jellemzésének elemzését és a hatékonysági méréseket.

Megbízhatóság

A szilíciumkarbid (SiC) egy rendkívül kemény összetett félvezető anyag. Emellett kiváló hőállósággal és magasabb átütési feszültséggel rendelkezik - ezek a tulajdonságok teszik ideálisvá a nagyfeszültségű energiaellátási alkalmazásokhoz, például inverterekhez.

A szilikon-karbid inverterek a gyártási technikák fejlődésének köszönhetően megbízhatóbbá váltak. Ez magában foglalja az új NYÁK elrendezéseket és a hőkezelési stratégiákat. Ezek a tervek megkönnyítik a zajcsökkentést, a hatékonyság növelését, a nagy áramok kezelését és a nagyobb áramok túlmelegedés nélküli kezelését; javítják a termikus jellemzés mérési képességeit, ami segít a gyártóknak a problémák gyors azonosításában; valamint biztosítják a biztonsági szabványoknak és az elektromágneses kompatibilitási előírásoknak való megfelelést.

A SiC MOSFET-ek a hagyományos Si-tranzisztoroktól azzal tűnnek ki, hogy adott területre vetítve kisebb ellenállással rendelkeznek, ami csökkenti a vezetési energiaveszteségeket és javítja a hatékonyságot. Ezen túlmenően magasabb hőmérsékleten és feszültségszinteken is képesek működni, mint hagyományos Si társaik, így kiváló választásnak bizonyulnak a nagyobb teljesítménytartományt igénylő, hosszabb vezetési távolságokhoz szükséges elektromos járművek vontatási invertereihez.

Az EV-inverterek az elektromos járművek elektromos rendszereinek kulcsfontosságú elemei, amelyek az akkumulátorokból származó egyenáramot váltakozó árammá alakítják a motor használatához, és egyenárammá a regeneratív fékezéshez. Mint ilyenek, az EV hajtáslánc szerves részét képezik, és megbízhatónak kell lenniük. A mérnökök különböző technológiákkal kísérleteztek; a Drive System Design nemrégiben létrehozott egy moduláris invertertervet, amely nyílt platformmal rendelkezik, hogy felgyorsítsa a fejlesztési időt, miközben robusztus teljesítményt nyújt.

Súly

A szilícium-karbid inverterek jelentősen könnyebbek lehetnek hagyományos társaiknál. Csökkentett súlyuk egyszerűbb telepítést és üzemeltetést, valamint nagyobb energiatakarékosságot és alacsonyabb teljes rendszerköltséget tesz lehetővé; jobb hatékonyságuk akár meg is hosszabbíthatja az EV hatótávolságát!

A szilícium-karbid inverterek a súlycsökkentésen túl számos előnyt kínálnak, többek között a teljesítménysűrűség és a hatékonyság javítását. Magasabb kapcsolási frekvenciájuk lehetővé teszi a mérnökök számára az áramköri topológiák egyszerűsítését és az alkatrészek számának csökkentését, ami nagyobb összeszerelési költségmegtakarítást eredményez; következésképpen ezek az inverterek költséghatékonyabbak és megfizethetőbbek a beszerzés és a karbantartás szempontjából is.

A szilícium-karbid kiváló hőmérséklet-ellenállósága lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy növeljék az inverterek kapcsolási frekvenciáját, ezáltal csökkentve a hőterhelést, eltávolodva a rezonanciafrekvenciáktól és csökkentve a hullámáramot, ami mind alacsonyabb veszteségekhez vezet. A ROHM 3. generációs szilícium-karbid MOSFET-jei lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy külső push-pull puffer nélkül élvezzék ezeket az előnyöket.

A szilícium-karbid egy rendkívül széles sávhézagú anyag, amely magasabb hőmérsékleten, feszültségen és frekvencián képes működni, mint a tipikus szilícium félvezetők. Ezenkívül rendkívüli keménysége miatt egykor a bórkarbid felfedezése előtt ez volt a legkeményebb szintetikus anyag a Földön. A szilíciumkarbidnak számos alkalmazási területe van, beleértve a testpáncélok tervezését és csiszolóanyagként való felhasználását csiszoláshoz/csiszolópapírként, valamint különböző ipari felhasználásokat.