Преимущества карбидокремниевого инвертора для электромобилей (EV)

Технология инверторов на основе карбида кремния - это захватывающее достижение в области силовых полупроводников. Она обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми устройствами, включая снижение потерь мощности до десяти раз и улучшение тепловых характеристик.

McLaren Applied использует высоковольтный полевой транзистор CoolSiC на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET), разработанный специально для работы с высоковольтными 800-вольтовыми системами, используемыми в тяговых инверторах электромобилей.

Плотность мощности

Плотность мощности - это количество электроэнергии, которое инвертор может выработать на единицу объема, что важно для электромобилей, которые должны работать на высоких напряжениях и частотах для достижения максимальной энергоэффективности. Для достижения этой цели производителям необходимо уменьшить габариты при одновременном увеличении выходной мощности, что карбидокремниевые инверторы прекрасно умеют делать благодаря очень высокой плотности мощности, которая делает их значительно меньше традиционных инверторов.

Паразитная индуктивность должна быть ограничена для повышения плотности мощности, так как чрезмерная индуктивность может вызвать такие проблемы, как звон напряжения и повышенное электромагнитное излучение, а также помехи для низковольтных сигналов от датчиков тока. Чтобы эффективно ограничить индуктивность, разработчики должны тщательно учитывать технические характеристики силовых модулей, технологию шин, конденсаторы звена постоянного тока и тепловой режим при проектировании этих решений.

Широкая полоса пропускания карбида кремния позволяет транзисторам выдерживать более высокие напряжения и температуры, чем обычные кремниевые полупроводники, что обеспечивает более высокие рабочие частоты, повышающие эффективность и снижающие потери мощности. Кроме того, карбид кремния является прекрасным проводником тепла: в три раза лучше, чем кремний, и уступает только алмазу.

Исследования NREL в области терморегулирования широкополосных силовых модулей позволили им разработать принудительное воздушное охлаждение для SiC-инверторов, что позволяет уменьшить площадь компонентов, повысить производительность и эффективность, а также поддерживать более высокочастотный режим работы для тяжелых условий эксплуатации.

Эффективность

Силовая электроника для электромобилей (EV) играет огромную роль в эффективности (а значит, в дальности поездки и времени зарядки). В частности, инвертор играет важнейшую роль, преобразуя энергию постоянного тока, хранящуюся в батареях, в энергию переменного тока, необходимую для движения. Технология карбида кремния (SiC) может с легкостью предложить решение для этих высоковольтных требований; она уже используется в инверторах EV.

Полупроводниковые приборы SiC превосходят традиционные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Они могут работать при более высоких температурах, имеют более высокие поля пробоя и обладают превосходной теплопроводностью - это означает, что можно подавать больший ток при меньших потерях и повышенной эффективности.

Широкая полоса пропускания SiC позволяет изготовленным из него приборам выдерживать гораздо более высокие напряжения и температуры, чем кремниевые (Si) аналоги, что приводит к уменьшению количества отказов и повышению надежности с течением времени - особенно ценный атрибут в инверторах, где долговременная надежность имеет решающее значение для длительной работы.

Чтобы максимально повысить эффективность инвертора на основе карбида кремния, при его проектировании необходимо учитывать его преимущества. Это включает в себя тщательную разводку печатной платы, эффективную маршрутизацию питания и эффективное использование методов терморегулирования. Кроме того, для того чтобы конечный продукт отвечал требованиям производительности, эффективности и надежности, необходимо провести тщательные испытания и контроль качества, включая функциональное тестирование, анализ электрических характеристик и измерение эффективности.

Надежность

Карбид кремния (SiC) - чрезвычайно твердый составной полупроводниковый материал. Кроме того, он обладает превосходной термостойкостью и более высоким напряжением пробоя - характеристики, которые делают его идеальным для высоковольтных силовых приложений, таких как инверторы.

Преобразователи из карбида силикона стали более надежными благодаря усовершенствованию технологий производства. К ним относятся новые схемы печатных плат и стратегии терморегулирования. Такие конструкции позволяют снизить уровень шума, повысить КПД, выдерживать большие токи и работать с большими токами без перегрева; улучшить возможности измерения тепловых характеристик, что помогает производителям быстро выявлять проблемы; а также обеспечить соответствие стандартам безопасности и нормам электромагнитной совместимости.

SiC MOSFET отличаются от традиционных Si транзисторов более низким сопротивлением на любой площади, что снижает потери мощности на проводимость и повышает эффективность. Кроме того, они могут работать при более высоких температурах и напряжениях, чем их традиционные Si-аналоги, что делает их лучшим выбором для тяговых инверторов электромобилей, требующих большего диапазона мощности для длительных поездок.

Инверторы для электромобилей - ключевые компоненты электрических систем электромобилей, преобразующие постоянный ток от батарей в переменный ток для работы двигателя и обратно в постоянный ток для рекуперативного торможения. Как таковые, они являются неотъемлемым компонентом трансмиссии EV и должны быть надежными. Инженеры экспериментировали с различными технологиями; недавно компания Drive System Design создала модульную конструкцию инвертора с открытой платформой для ускорения разработки и обеспечения надежных характеристик.

Вес

Инверторы из карбида кремния могут быть значительно легче своих традиционных аналогов. Снижение веса позволяет упростить установку и эксплуатацию, а также повысить энергосбережение и снизить общие затраты на систему; повышение эффективности может даже увеличить запас хода вашего EV!

Преобразователи на основе карбида кремния имеют множество преимуществ, помимо снижения веса, включая повышение плотности мощности и эффективности. Более высокая частота переключения позволяет инженерам упростить топологию схем и уменьшить количество компонентов для большей экономии затрат на сборку; следовательно, эти преобразователи также более экономичны и доступны в приобретении и обслуживании.

Превосходная термостойкость карбида кремния позволяет инженерам увеличить частоту переключения преобразователей, тем самым снижая тепловую нагрузку, уходя от резонансных частот и уменьшая ток пульсаций, что приводит к снижению потерь. Карбидокремниевые МОП-транзисторы 3-го поколения от ROHM позволяют инженерам воспользоваться этими преимуществами без использования внешнего буфера push-pull.

Карбид кремния - материал с чрезвычайно широкой полосой пропускания, способный работать при более высоких температурах, напряжениях и частотах, чем обычные кремниевые полупроводники. Кроме того, его чрезвычайная твердость делала его самым твердым синтетическим веществом на Земле до открытия карбида бора. Карбид кремния находит множество применений, включая создание бронежилетов и использование в качестве абразива для шлифовки/наждака, а также в различных промышленных целях.