Avantajele unui invertor de carbură de siliciu

Invertoarele din carbură de siliciu sunt convertoare de energie electrică care convertesc curentul continuu (CC) în curent alternativ (CA). Acestea utilizează tranzistori cu efect de câmp din carbură de siliciu (MOSFET) pentru a crește eficiența și a reduce dimensiunile.

Electronicele de putere din carbură de siliciu pentru vehicule electrice oferă mai multe avantaje față de omologii lor: temperaturi mai scăzute, viteze de comutare mai rapide și pierderi de conducție reduse în invertoarele de tracțiune - ceea ce duce la o autonomie mai mare și la o utilizare mai eficientă a energiei.

Costuri

Deși invertoarele din carbură de siliciu costă mai mult decât cele din siliciu (Si), acestea oferă multe avantaje care fac ca investiția mai mare să merite. Carbura de siliciu oferă o toleranță mai mare la tensiunea de câmp de rupere decât Si, permițând astfel trecerea unui curent mai mare și reducând astfel rezistența dispozitivului și crescând eficiența. În plus, conductivitatea sa termică superioară îmbunătățește răcirea, reducând și mai mult pierderile de putere.

Invertoarele din carbură de siliciu sunt mai accesibile și mai compacte decât omologii lor din siliciu, ceea ce le face perfecte pentru vehiculele electrice (EV). Cerințele reduse de răcire ale acestora reduc costurile generale ale sistemului și, în cele din urmă, duc la scăderea prețurilor pentru vehiculele electrice.

Invertoarele din carbură de siliciu ajută la reducerea greutății bateriei, care este una dintre principalele bariere în calea adoptării vehiculelor electrice, ajutând la rezolvarea anxietății legate de autonomie, precum și la extinderea autonomiei cu până la 7% fără a crește dimensiunea bateriei.

Invertoarele transformă curentul continuu de la bateriile unui vehicul electric în curent alternativ pentru motorul de tracțiune și invers pentru frânarea regenerativă, devenind astfel una dintre pietrele de temelie ale sistemului de propulsie și îmbunătățind dramatic performanțele. Dar producția lor poate fi costisitoare; inginerii caută tehnologii alternative, cum ar fi invertoarele din carbură de siliciu (SiC), pentru a reduce costurile.

Carbura de siliciu, sau SiC, este un compus chimic anorganic format din siliciu și carbon, care se găsește în stare naturală sub forma mineralului moissanite; cu toate acestea, începând din 1893, a început producția în masă. SiC este utilizat în aplicații care necesită o durabilitate ridicată, cum ar fi frânele și ambreiajele automobilelor, precum și ca plăci ceramice în vestele antiglonț și ca abraziv în șmirghel. Fiind unul dintre cele mai dure materiale sintetice cunoscute de om, prezintă, de asemenea, metoda Lely de creștere a cristalelor la 2 500 de grade Celsius, care funcționează prin plasarea grafitului poros în tuburi încălzite la astfel de temperaturi pentru a se produce creșterea cristalelor - mai multe informații aici

Eficiență

Invertoarele din carbură de siliciu oferă multe avantaje față de convertoarele de putere pe bază de siliciu datorită randamentului și fiabilității lor mai ridicate, dimensiunilor mai mici, greutății reduse și dificultăților reduse de instalare. În plus, sunt necesare mai puține componente pasive, iar tensiunile mai mari pot fi gestionate mai ușor; în plus, pierderile de comutare sunt mai mici, în timp ce disiparea termică este semnificativ mai redusă, ceea ce permite construirea unor carcase robuste compacte cu costuri reduse de răcire.

Semiconductorii din carbură de siliciu pot oferi multe avantaje pentru aplicațiile electronice de putere; cu toate acestea, utilizarea lor rămâne limitată din cauza faptului că sunt mai scumpi decât dispozitivele tradiționale din siliciu. Cu toate acestea, datorită îmbunătățirilor aduse tranzistoarelor și diodelor de putere SiC, acest decalaj se reduce rapid.

SiC se deosebește de semiconductorii tradiționali pe bază de siliciu prin faptul că are un interval de bandă mai larg care îi permite să funcționeze la temperaturi și tensiuni mai ridicate, ceea ce îl face o soluție excelentă pentru aplicațiile care necesită o densitate mare de putere cu conversie eficientă a energiei, cum ar fi vehiculele electrice sau invertoarele solare.

MOSFET-urile SiC prezintă provocări de producție unice datorită structurii lor complexe și incapacității de a fi cultivate pe substraturi tradiționale de siliciu; în schimb, trebuie produse sub formă de pulbere înainte de a fi tăiate în plachete cu diamante sintetice într-un proces costisitor și care necesită mult timp.

Pentru a utiliza în mod corespunzător un invertor cu carbură de siliciu, este esențial să se selecteze proiectul adecvat. Aceasta implică alegerea algoritmilor de control, implementarea tehnicilor de modulare a lățimii impulsurilor și crearea buclelor de reacție pentru reglarea tensiunii și a curentului. În plus, selectarea unei carcase care oferă protecție împotriva factorilor de mediu, precum și selectarea unei strategii eficiente de rutare a energiei sunt etape necesare în crearea funcționării invertorului.

Invertoarele SiC pot crește puterea vehiculului electric cu până la 7% în comparație cu convertoarele convenționale pe bază de siliciu, datorită frecvențelor de comutare mai rapide și fiind capabile să suporte temperaturi de funcționare mai ridicate. De asemenea, acestea sunt mai fiabile, având o rezistență dielectrică mai mare în comparație cu siliciul.

Flexibilitate

Carbura de siliciu este un semiconductor compus avansat cu o flexibilitate mai mare decât omologii săi pe bază de siliciu, oferind o conductivitate termică mai mare, o tensiune de rupere mai mare, caracteristici de comutare superioare, capacități la temperaturi ridicate și pierderi de comutare reduse care ajută la scăderea pierderilor de energie în dispozitive, crescând în același timp eficiența acestora - ideal pentru electronica de putere din vehiculele electrice, unde un invertor convertește curentul continuu (DC) de la baterii în curent alternativ (AC) pentru frânarea regenerativă sau în scopul controlului turației motorului.

Invertoarele din carbură de siliciu oferă numeroase avantaje producătorilor. Aceste avantaje includ costuri mai mici de operare și întreținere, o densitate crescută a puterii, timpi de comutare mai rapizi, precum și un consum redus de energie - componente esențiale în crearea de vehicule electrice mai eficiente din punct de vedere al costurilor, creând în același timp o experiență de încărcare îmbunătățită pentru utilizatorii acestora. În plus, această tehnologie contribuie la eforturile de sustenabilitate, ajutând producătorii să producă vehicule electrice mai ușoare, cu o eficiență sporită, îmbunătățind experiența de încărcare și contribuind în același timp la menținerea practicilor durabile și la reducerea consumului de energie.

Invertoarele din carbură de siliciu oferă mai mult decât o creștere a performanțelor - ele îmbunătățesc, de asemenea, durabilitatea și fiabilitatea prin rezistența la temperaturi ridicate, rezistența la coroziune și conductivitatea termică îmbunătățită (de trei ori mai bună decât cea a siliciului tradițional și a doua după diamant). Eficiența lor termică sporită contribuie la reducerea costurilor de răcire și la prelungirea duratei de viață a dispozitivelor.

Invertoarele EV sunt componente esențiale ale trenului de rulare al unui vehicul electric și joacă un rol central în conversia curentului continuu de la bateriile de la bord în curent alternativ pentru acționarea motorului de tracțiune și invers pentru frânarea regenerativă. Inovarea în acest domeniu este extrem de importantă atât pentru siguranța, cât și pentru performanța oricărui vehicul electric, prin urmare, inovarea în acest domeniu trebuie să rămână o prioritate pentru părțile interesate.

Fabricarea unui invertor din carbură de siliciu începe cu fabricarea dispozitivelor semiconductoare de putere din carbură de siliciu, cum ar fi MOSFET-urile sau diodele Schottky, din plachete din carbură de siliciu, utilizând diverse procese, cum ar fi pregătirea plachetelor, creșterea epitaxială, doparea, litografia și gravarea. Odată proiectat, validitatea acestuia trebuie testată în raport cu standardele de siguranță relevante și cu reglementările industriei auto înainte de a trece la etapele finale de producție, cum ar fi asamblarea PCB cu producătorii, furnizorii și partenerii de asamblare pentru a finaliza producția produsului invertor.

Fiabilitate

Invertoarele EV convertesc curentul continuu de la bateriile vehiculelor în curent alternativ care este utilizat de motoarele electrice pentru propulsarea mașinilor. Deoarece orice defecțiune ar putea duce la o pierdere semnificativă de energie și ar putea afecta bateria, mulți producători de vehicule electrice se orientează către invertoare din carbură de siliciu, care s-au dovedit mai fiabile decât cele tradiționale pe bază de siliciu, inclusiv fiind capabile să funcționeze la tensiuni și temperaturi mai ridicate și să suporte mai multe solicitări decât omologii lor din siliciu.

Invertoarele din carbură de siliciu necesită mai mulți pași pentru producție. În primul rând, trebuie creat designul acestora. Apoi, trebuie efectuate teste de funcționalitate și de performanță electrică. După aceea, are loc asamblarea pe o placă cu circuite imprimate (PCB). Asamblarea include pregătirea substratului PCB înainte de adăugarea straturilor de cupru prin procese de gravură/placare, găurirea orificiilor pentru montarea componentelor, aplicarea mascării de lipire/marcarea prin serigrafie și, în cele din urmă, plasarea în carcasa de protecție pentru factorii de mediu, precum și în scopuri de izolare electrică.

Proiectarea unui invertor cu carbură de siliciu necesită luarea în considerare a dimensiunii și greutății, deoarece instalarea și funcționarea acestuia ar trebui să fie mai ușoară atunci când sunt utilizate dispozitive mai mici. Acest lucru este deosebit de relevant în cazul instalării sistemelor fotovoltaice solare cu mai multe panouri sau al aplicațiilor de stocare a energiei; de asemenea, intervalul de bandă mai larg le permite să funcționeze la temperaturi mai ridicate decât tehnologiile convenționale din siliciu.

Invertoarele din carbură de siliciu oferă frecvențe de comutare mai mari care permit utilizarea unor magneți mai subțiri și mai mici, ceea ce duce la economii de greutate și la reducerea costurilor de capital, instalare și întreținere. Eficiența lor mai ridicată duce, de asemenea, la o pierdere mai mică de energie în timpul conversiei.

În timp ce siliciul rămâne în prezent materialul semiconductor dominant, carbura de siliciu (SiC) devine un material de bază tot mai popular în dispozitivele electronice de putere și în vehiculele electrice. SiC este mai durabil, mai rapid și mai rentabil decât alternativele pe bază de siliciu.

Carbura de siliciu este un material ideal pentru utilizarea în dispozitive electronice de putere, cum ar fi invertoarele, care convertesc curentul electric continuu de la modulele fotovoltaice în curent alternativ pentru utilizarea de către vehiculele electrice și alte echipamente conectate la rețea. Din păcate, o parte din energie se pierde sub formă de căldură în timpul acestui proces de conversie; din punct de vedere istoric, invertoarele de siliciu de ultimă generație aveau o eficiență de numai 98%; invertoarele SiC pot atinge o eficiență de până la 99% într-o gamă largă de niveluri de putere, producând în același timp o frecvență de ieșire de calitate optimă.