Keuntungan dari Inverter Silikon Karbida untuk Kendaraan Listrik (EV)

Teknologi inverter silikon karbida adalah kemajuan semikonduktor daya yang menarik. Teknologi ini memiliki beberapa keunggulan dibandingkan perangkat silikon konvensional, termasuk kehilangan daya yang lebih rendah hingga sepuluh kali lebih sedikit dan kinerja termal yang lebih baik.

McLaren Applied menggunakan transistor efek medan semikonduktor oksida logam oksida (MOSFET) CoolSiC tegangan tinggi, yang dirancang khusus untuk menangani sistem tegangan tinggi 800 volt yang ditemukan pada inverter traksi kendaraan listrik.

Kepadatan daya

Kepadatan daya mengacu pada jumlah listrik yang dapat dihasilkan inverter per satuan volume, sebuah pertimbangan penting dalam aplikasi kendaraan listrik yang harus beroperasi pada tegangan dan frekuensi tinggi untuk efisiensi energi maksimum. Untuk mencapai tujuan ini, produsen harus mengurangi ukuran keseluruhan sekaligus meningkatkan daya output - sesuatu yang unggul dalam melakukan inverter silikon karbida dengan kepadatan daya yang sangat tinggi yang membuatnya jauh lebih kecil daripada inverter tradisional.

Induktansi parasit harus dibatasi agar kepadatan daya meningkat, karena induktansi yang berlebihan dapat menyebabkan masalah seperti dering tegangan dan emisi EMI yang meningkat serta mengganggu sinyal tegangan rendah dari sensor saat ini. Untuk membatasi induktansi secara efektif, perancang harus mempertimbangkan dengan cermat spesifikasi modul daya, teknologi bussing, kapasitor sambungan DC, dan penumpukan termal saat merancang solusi ini.

Celah pita silikon karbida yang lebar memungkinkan transistor untuk mentoleransi tegangan dan suhu yang lebih tinggi daripada semikonduktor silikon pada umumnya, sehingga memungkinkan frekuensi operasi yang lebih tinggi yang meningkatkan efisiensi sekaligus mengurangi kehilangan daya. Selain itu, bahan silikon karbida berfungsi sebagai konduktor panas yang baik; tiga kali lebih baik dari silikon dan kedua setelah berlian.

Penelitian NREL terhadap manajemen termal modul daya dengan celah pita lebar telah memungkinkan mereka mengembangkan pendinginan udara paksa untuk inverter SiC, yang memungkinkan mereka mengurangi jejak komponen, meningkatkan kinerja dan efisiensi, serta mendukung operasi dengan frekuensi yang lebih tinggi untuk aplikasi tugas berat.

Efisiensi

Elektronika daya untuk kendaraan listrik (EV) memainkan peran yang sangat besar dalam efisiensi (dan karenanya jarak tempuh dan waktu pengisian daya). Secara khusus, inverter memainkan peran penting, mengubah energi DC yang tersimpan dalam baterai menjadi energi AC yang dibutuhkan untuk mengemudi. Teknologi silikon karbida (SiC) dapat menawarkan solusi untuk kebutuhan tegangan tinggi ini dengan mudah; teknologi ini telah digunakan pada inverter EV.

Perangkat semikonduktor SiC mengalahkan transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT) tradisional. Mereka dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dan memiliki bidang kerusakan yang lebih tinggi sekaligus memiliki konduktivitas termal yang unggul - ini berarti lebih banyak arus dapat dialirkan dengan kerugian yang lebih rendah dan efisiensi yang lebih baik.

Celah pita SiC yang lebar memungkinkan perangkat yang terbuat dari SiC untuk menahan tegangan dan suhu yang jauh lebih tinggi daripada silikon (Si), yang mengarah pada mode kegagalan yang lebih sedikit dan peningkatan keandalan dari waktu ke waktu - atribut yang sangat berharga pada inverter di mana ketergantungan jangka panjang sangat penting untuk operasi jangka panjang.

Untuk memaksimalkan efektivitas inverter silikon karbida, proses desainnya harus mempertimbangkan keunggulannya. Hal ini melibatkan tata letak PCB yang cermat, perutean daya yang efisien, dan menggunakan teknik manajemen termal secara efektif. Selain itu, pengujian yang ketat dan teknik jaminan kualitas juga harus dilakukan untuk menjamin bahwa produk akhir memenuhi tujuan kinerja, efisiensi, dan keandalan - termasuk pengujian fungsional, analisis karakterisasi kinerja listrik, dan pengukuran efisiensi.

Keandalan

Silikon karbida (SiC) adalah bahan semikonduktor majemuk yang sangat keras. Selain itu, bahan ini memiliki ketahanan panas yang unggul dan tegangan tembus yang lebih tinggi - karakteristik yang membuatnya ideal untuk aplikasi daya tegangan tinggi seperti inverter.

Inverter silikon karbida telah menjadi lebih andal berkat kemajuan dalam teknik manufaktur. Hal ini termasuk tata letak PCB baru dan strategi manajemen termal. Desain ini memudahkan untuk mengurangi kebisingan, meningkatkan efisiensi, menangani arus tinggi, dan menangani arus yang lebih tinggi tanpa panas berlebih; meningkatkan kemampuan pengukuran karakterisasi termal yang membantu produsen dengan cepat mengidentifikasi masalah; serta memastikan bahwa inverter tersebut memenuhi standar keselamatan dan peraturan kompatibilitas elektromagnetik.

MOSFET SiC menonjol dari transistor Si tradisional dengan resistansi yang lebih rendah untuk area tertentu, mengurangi kehilangan daya konduksi dan meningkatkan efisiensi. Selain itu, mereka dapat beroperasi pada suhu dan tingkat tegangan yang lebih tinggi daripada rekan-rekan Si tradisional mereka, menjadikannya pilihan yang lebih unggul untuk inverter traksi kendaraan listrik yang membutuhkan rentang daya yang lebih besar untuk jarak mengemudi yang lebih jauh.

Inverter EV adalah komponen utama dalam sistem kelistrikan kendaraan listrik, mengubah arus searah dari baterai menjadi arus bolak-balik untuk penggunaan motor dan kembali menjadi arus searah untuk pengereman regeneratif. Dengan demikian, mereka adalah komponen integral dari drivetrain EV, dan harus dapat diandalkan. Para insinyur telah bereksperimen dengan berbagai teknologi; Drive System Design baru-baru ini menciptakan desain inverter modular yang menampilkan platform terbuka untuk mempercepat waktu pengembangan sambil tetap menawarkan kinerja yang kuat.

Berat

Inverter silikon karbida dapat secara signifikan lebih ringan daripada inverter tradisional. Bobotnya yang lebih ringan memungkinkan pemasangan dan pengoperasian yang lebih mudah serta konservasi energi yang lebih besar dan total biaya sistem yang lebih rendah; peningkatan efisiensinya bahkan dapat memperluas jangkauan mengemudi EV Anda!

Inverter silikon karbida menawarkan banyak keuntungan di luar pengurangan berat, termasuk meningkatkan kepadatan dan efisiensi daya. Frekuensi switching yang lebih tinggi memungkinkan para insinyur untuk menyederhanakan topologi sirkuit dan mengurangi jumlah komponen untuk penghematan biaya perakitan yang lebih besar; akibatnya, inverter ini juga lebih hemat biaya dan terjangkau untuk dibeli dan dirawat.

Ketahanan suhu silikon karbida yang unggul memungkinkan para insinyur untuk meningkatkan frekuensi switching inverter, sehingga mengurangi tekanan termal, bergeser menjauh dari frekuensi resonansi, dan mengurangi arus riak, yang semuanya mengarah pada kerugian yang lebih rendah. MOSFET Silikon Karbida Generasi ke-3 dari ROHM memungkinkan para insinyur untuk mendapatkan keuntungan ini tanpa memerlukan penyangga dorong-tarik eksternal.

Silikon karbida adalah bahan dengan celah pita yang sangat lebar yang mampu beroperasi pada suhu, voltase dan frekuensi yang lebih tinggi daripada semikonduktor silikon pada umumnya. Selain itu, kekerasannya yang ekstrem pernah membuatnya menjadi bahan sintetis terkeras di Bumi sebelum penemuan boron karbida ditemukan. Silikon karbida memiliki banyak aplikasi termasuk desain pelindung tubuh dan digunakan sebagai bahan abrasif untuk penggunaan amplas/pengamplasan serta berbagai penggunaan industri.