Silicio karbido keitiklio privalumai elektromobiliams

Silicio karbido inverterių technologija - tai įdomi puslaidininkinių elektros energijos šaltinių pažanga. Ji pasižymi keliais privalumais, palyginti su įprastais silicio įtaisais, įskaitant iki dešimties kartų mažesnius galios nuostolius ir geresnes šilumines charakteristikas.

"McLaren Applied" naudoja aukštos įtampos "CoolSiC" metalo oksido puslaidininkinį lauko tranzistorių (MOSFET), specialiai sukurtą aukštos įtampos 800 voltų sistemoms, naudojamoms elektromobilių traukos keitikliuose.

Galios tankis

Galios tankis - tai elektros energijos kiekis, kurį inverteris gali generuoti per tūrio vienetą, o tai yra svarbus aspektas elektrinėse transporto priemonėse, kurios turi veikti esant aukštai įtampai ir dažniui, kad būtų užtikrintas maksimalus energijos vartojimo efektyvumas. Kad pasiektų šį tikslą, gamintojai turi sumažinti bendrą dydį ir kartu padidinti išėjimo galią - silicio karbido inverteriai puikiai tai sugeba, nes jų galios tankis yra labai didelis, todėl jie yra gerokai mažesni už tradicinius inverterius.

Norint padidinti galios tankį, reikia apriboti parazitinį induktyvumą, nes dėl per didelio induktyvumo gali kilti tokių problemų, kaip įtampos skambėjimas ir padidėjusi elektromagnetinės spinduliuotės emisija, taip pat gali trikdyti srovės jutiklių žemos įtampos signalus. Siekdami veiksmingai apriboti induktyvumą, projektuotojai, kurdami šiuos sprendimus, turėtų atidžiai atsižvelgti į maitinimo modulio specifikacijas, magistralės technologiją, nuolatinės srovės jungties kondensatorius ir šiluminį krūvį.

Dėl plataus silicio karbido pralaidumo juostos tarpo tranzistoriai toleruoja didesnes įtampas ir temperatūras nei tipiniai silicio puslaidininkiai, todėl galima naudoti aukštesnius darbinius dažnius, kurie didina efektyvumą ir mažina galios nuostolius. Be to, silicio karbido medžiaga puikiai praleidžia šilumą - tris kartus geriau nei silicis ir nusileidžia tik deimantui.

NREL atlikti plačiajuosčių galios modulių šilumos valdymo tyrimai leido sukurti priverstinį SiC inverterių aušinimą oru, kuris leidžia sumažinti komponentų užimamą plotą, pagerinti našumą ir efektyvumą bei užtikrinti aukštesnio dažnio veikimą didelės apkrovos įrenginiuose.

Efektyvumas

Elektromobilių (EV) galios elektronika atlieka didžiulį vaidmenį užtikrinant efektyvumą (taigi ir ridą bei įkrovimo laiką). Ypač svarbus vaidmuo tenka inverteriui, kuris akumuliatoriuose sukauptą nuolatinės srovės energiją paverčia važiavimui reikalinga kintamosios srovės energija. Silicio karbido (SiC) technologija gali padėti lengvai patenkinti šiuos aukštos įtampos poreikius; ji jau pradedama naudoti elektromobilių keitikliuose.

SiC puslaidininkiniai įtaisai pranoko tradicinius izoliuotus užtvarinius bipolinius tranzistorius (IGBT). Jie gali veikti aukštesnėje temperatūroje ir pasižymėti didesniais pramušamaisiais laukais, kartu pasižymėdami geresniu šiluminiu laidumu - tai reiškia, kad galima tiekti didesnę srovę su mažesniais nuostoliais ir geresniu efektyvumu.

Dėl plataus SiC juostos tarpo iš jo pagaminti prietaisai gali atlaikyti daug didesnes įtampas ir temperatūras nei analogiški silicio (Si) prietaisai, todėl mažiau gedimų ir didesnis patikimumas laikui bėgant - tai ypač vertinga savybė inverteriuose, kuriuose ilgalaikis patikimumas yra labai svarbus ilgalaikiam veikimui.

Norint, kad silicio karbido keitiklis būtų kuo efektyvesnis, jį projektuojant reikia atsižvelgti į jo privalumus. Tai apima kruopštų spausdintinių plokščių išdėstymą, efektyvų galios nukreipimą ir veiksmingą šilumos valdymo metodų naudojimą. Be to, siekiant užtikrinti, kad galutinis gaminys atitiktų našumo, efektyvumo ir patikimumo tikslus, turi būti taikomi griežti bandymai ir kokybės užtikrinimo metodai, įskaitant funkcinius bandymus, elektrinių charakteristikų analizę ir efektyvumo matavimus.

Patikimumas

Silicio karbidas (SiC) yra itin kieta sudėtinė puslaidininkinė medžiaga. Be to, jis pasižymi didesniu atsparumu karščiui ir aukštesne pramušimo įtampa - dėl šių savybių jis idealiai tinka aukštos įtampos elektros energijos įrenginiams, pavyzdžiui, inverteriams.

Silikono karbido inverteriai tapo patikimesni dėl pažangių gamybos metodų. Tai apima naujus spausdintinių plokščių išdėstymus ir šilumos valdymo strategijas. Šios konstrukcijos leidžia lengviau sumažinti triukšmą, padidinti efektyvumą, apdoroti dideles sroves ir atlaikyti didesnes sroves be perkaitimo; pagerinti šiluminio apibūdinimo matavimo galimybes, kurios padeda gamintojams greitai nustatyti problemas; taip pat užtikrinti, kad jie atitiktų saugos standartus ir elektromagnetinio suderinamumo taisykles.

SiC MOSFET išsiskiria iš tradicinių Si tranzistorių mažesne varža tam tikrame plote, todėl sumažėja laidumo galios nuostoliai ir padidėja efektyvumas. Be to, jie gali veikti aukštesnėje temperatūroje ir aukštesniame įtampos lygyje nei jų tradiciniai "Si" analogai, todėl jie yra geresnis pasirinkimas elektrinių transporto priemonių traukos keitikliams, kuriems reikia didesnio galios diapazono, kad būtų galima važiuoti ilgesnį atstumą.

Elektromobilių keitikliai yra pagrindiniai elektrinių transporto priemonių elektros sistemų komponentai, keičiantys nuolatinę srovę iš akumuliatorių į kintamąją srovę varikliui ir atgal į nuolatinę srovę rekuperaciniam stabdymui. Todėl jie yra neatsiejama elektromobilių pavaros dalis ir turi būti patikimi. Inžinieriai eksperimentavo su įvairiomis technologijomis; "Drive System Design" neseniai sukūrė modulinį inverterio dizainą, pasižymintį atvira platforma, kad būtų pagreitintas kūrimo laikas ir kartu užtikrintas patikimas veikimas.

Svoris

Silicio karbido inverteriai gali būti gerokai lengvesni už tradicinius analogus. Dėl mažesnio svorio juos lengviau įrengti ir eksploatuoti, taip pat taupiau vartoti energiją ir mažinti bendras sistemos sąnaudas; dėl didesnio efektyvumo gali net pailgėti jūsų elektromobilio važiavimo nuotolis!

Silicio karbido inverteriai turi daug privalumų ne tik dėl mažesnio svorio, bet ir dėl didesnio galios tankio ir efektyvumo. Dėl didesnio perjungimo dažnio inžinieriai gali supaprastinti grandinių topologijas ir sumažinti komponentų skaičių, taip sutaupydami surinkimo sąnaudas; todėl šie keitikliai taip pat yra ekonomiškesni ir prieinamesni įsigyti bei prižiūrėti.

Silicio karbido atsparumas aukštai temperatūrai leidžia inžinieriams padidinti keitiklių perjungimo dažnį, taip sumažinant šiluminę įtampą, atsisakant rezonansinių dažnių ir sumažinant pulsacijos srovę, o tai lemia mažesnius nuostolius. Trečiosios kartos silicio karbido MOSFET'ai iš ROHM leidžia inžinieriams pasinaudoti šiais privalumais be išorinio push-pull buferio.

Silicio karbidas yra itin plačios juostos tarpo medžiaga, galinti veikti aukštesnėse temperatūrose, esant aukštesnėms įtampoms ir dažniams nei įprasti silicio puslaidininkiai. Be to, dėl savo ypatingo kietumo jis kadaise buvo kiečiausia sintetinė medžiaga Žemėje, kol buvo atrastas boro karbidas. Silicio karbidą galima naudoti įvairiose srityse, įskaitant kūno šarvų kūrimą ir naudojimą kaip abrazyvą šlifavimui ir (arba) švitriniam popieriui, taip pat įvairioms pramoninėms reikmėms.