Výhody striedača na báze karbidu kremíka pre elektrické vozidlá (EV)

Technológia invertorov z karbidu kremíka je vzrušujúcim pokrokom v oblasti výkonových polovodičov. V porovnaní s bežnými kremíkovými zariadeniami sa môže pochváliť viacerými výhodami vrátane až desaťkrát nižších výkonových strát a lepších tepelných vlastností.

Spoločnosť McLaren Applied využíva vysokonapäťový polovodičový tranzistor CoolSiC s oxidom kovov (MOSFET), ktorý je špeciálne navrhnutý na prácu s vysokonapäťovými 800-voltovými systémami v trakčných meničoch elektrických vozidiel.

Hustota výkonu

Hustota výkonu sa vzťahuje na množstvo elektrickej energie, ktoré dokáže striedač vygenerovať na jednotku objemu, čo je dôležitý faktor pri aplikáciách v elektrických vozidlách, ktoré musia pracovať pri vysokých napätiach a frekvenciách pre maximálnu energetickú účinnosť. Na dosiahnutie tohto cieľa musia výrobcovia zmenšiť celkovú veľkosť a zároveň zvýšiť výstupný výkon - v čom karbidové striedače kremíka vynikajú veľmi vysokou hustotou výkonu, vďaka ktorej sú podstatne menšie ako tradičné striedače.

Parazitná indukčnosť sa musí obmedziť, aby sa zvýšila hustota výkonu, pretože nadmerná indukčnosť môže spôsobiť problémy, ako je zvonenie napätia a zvýšené emisie EMI, ako aj rušenie nízkonapäťových signálov zo snímačov prúdu. Na účinné obmedzenie indukčnosti by mali konštruktéri pri navrhovaní týchto riešení starostlivo zvážiť špecifikácie napájacích modulov, technológiu zberníc, kondenzátory jednosmerného prepojenia a tepelné stohovanie.

Široké pásmo karbidu kremíka umožňuje tranzistorom tolerovať vyššie napätia a teploty ako typické kremíkové polovodiče, čo umožňuje vyššie pracovné frekvencie, ktoré zvyšujú účinnosť a zároveň znižujú straty energie. Okrem toho materiál karbidu kremíka slúži ako skvelý vodič tepla; trikrát lepší ako kremík a druhý po diamante.

Výskum spoločnosti NREL v oblasti tepelného manažmentu výkonových modulov so širokou pásmovou medzerou im umožnil vyvinúť nútené vzduchové chladenie pre SiC meniče, ktoré umožňuje znížiť plochu komponentov, zlepšiť výkon a účinnosť, ako aj podporiť prevádzku s vyššou frekvenciou pre aplikácie s vysokou záťažou.

Účinnosť

Výkonová elektronika pre elektrické vozidlá (EV) zohráva obrovskú úlohu v oblasti účinnosti (a teda aj dojazdu a času nabíjania). Zásadnú úlohu zohráva najmä menič, ktorý premieňa jednosmerný prúd uložený v batériách na striedavý prúd potrebný na jazdu. Technológia karbidu kremíka (SiC) môže ľahko ponúknuť riešenie týchto vysokonapäťových požiadaviek; už teraz si razí cestu do meničov EV.

Polovodičové zariadenia SiC prekonali tradičné bipolárne tranzistory s izolovaným hradlom (IGBT). Môžu pracovať pri vyšších teplotách a vyznačujú sa vyššími prieraznými poľami, pričom majú vynikajúcu tepelnú vodivosť - to znamená, že je možné dodávať väčší prúd pri nižších stratách a lepšej účinnosti.

Široké pásmo SiC umožňuje zariadeniam vyrobeným z tohto materiálu odolávať oveľa vyšším napätiam a teplotám ako kremíkové (Si) náprotivky, čo vedie k menšiemu počtu poruchových režimov a vyššej spoľahlivosti v priebehu času - čo je obzvlášť cenná vlastnosť meničov, kde je dlhodobá spoľahlivosť rozhodujúca pre dlhodobú prevádzku.

Aby sa maximalizovala účinnosť meniča z karbidu kremíka, musí sa pri jeho návrhu zohľadniť jeho výhoda. To zahŕňa starostlivé rozmiestnenie PCB, efektívne smerovanie napájania a efektívne využívanie techník tepelného manažmentu. Okrem toho sa musia použiť aj prísne techniky testovania a zabezpečenia kvality, aby sa zaručilo, že konečný výrobok spĺňa ciele v oblasti výkonu, účinnosti a spoľahlivosti - vrátane funkčného testovania, analýzy elektrických charakteristík výkonu a merania účinnosti.

Spoľahlivosť

Karbid kremíka (SiC) je extrémne tvrdý polovodičový materiál. Okrem toho má vynikajúcu tepelnú odolnosť a vyššie prierazné napätie - vlastnosti, vďaka ktorým je ideálny pre vysokonapäťové aplikácie, ako sú napríklad meniče.

Meniče z karbidu silikónu sa stali spoľahlivejšími vďaka pokroku vo výrobných technikách. Patria sem nové rozmiestnenia dosiek plošných spojov a stratégie tepelného manažmentu. Tieto návrhy uľahčujú znižovanie hluku, zvyšovanie účinnosti, zvládanie vysokých prúdov a zvládanie vyšších prúdov bez prehriatia; zlepšujú možnosti merania tepelných charakteristík, čo pomáha výrobcom rýchlo identifikovať problémy; ako aj zabezpečujú splnenie bezpečnostných noriem a predpisov o elektromagnetickej kompatibilite.

SiC MOSFETy sa od tradičných Si tranzistorov odlišujú nižším odporom na danú plochu, čím sa znižujú straty energie pri vedení a zvyšuje sa účinnosť. Okrem toho môžu pracovať pri vyšších teplotách a úrovniach napätia ako ich tradičné Si náprotivky, čo z nich robí lepšiu voľbu pre trakčné meniče elektrických vozidiel, ktoré vyžadujú väčší rozsah výkonu na dlhšie jazdné vzdialenosti.

Meniče pre elektrické vozidlá sú kľúčovými komponentmi elektrických systémov elektrických vozidiel, ktoré premieňajú jednosmerný prúd z batérií na striedavý prúd na použitie v motore a späť na jednosmerný prúd na rekuperačné brzdenie. Ako také sú neoddeliteľnou súčasťou pohonu elektromobilov a musia byť spoľahlivé. Inžinieri experimentovali s rôznymi technológiami; spoločnosť Drive System Design nedávno vytvorila modulárny dizajn meniča s otvorenou platformou, ktorý urýchľuje čas vývoja a zároveň ponúka robustný výkon.

Hmotnosť

Meniče z karbidu kremíka môžu byť výrazne ľahšie ako ich tradičné náprotivky. Ich nižšia hmotnosť umožňuje jednoduchšiu inštaláciu a prevádzku, ako aj väčšiu úsporu energie a nižšie celkové náklady na systém; ich vyššia účinnosť môže dokonca predĺžiť dojazd vášho elektromobilu!

Meniče z karbidu kremíka ponúkajú okrem zníženia hmotnosti aj mnohé ďalšie výhody vrátane lepšej hustoty výkonu a účinnosti. Ich vyššia spínacia frekvencia umožňuje inžinierom zjednodušiť topológie obvodov a znížiť počet komponentov, čím sa dosiahne väčšia úspora nákladov na montáž; v dôsledku toho sú tieto meniče aj cenovo efektívnejšie a dostupnejšie na nákup a údržbu.

Vynikajúca teplotná odolnosť karbidu kremíka umožňuje inžinierom zvýšiť spínaciu frekvenciu meničov, čím sa znižuje tepelné namáhanie, odklon od rezonančných frekvencií a zníženie zvlnenia prúdu, čo vedie k nižším stratám. MOSFETy 3. generácie z karbidu kremíka od spoločnosti ROHM umožňujú inžinierom využívať tieto výhody bez potreby externého push-pull buffera.

Karbid kremíka je materiál s extrémne širokopásmovou medzerou, ktorý dokáže pracovať pri vyšších teplotách, napätiach a frekvenciách ako typické kremíkové polovodiče. Okrem toho, vďaka svojej extrémnej tvrdosti bol kedysi najtvrdšou syntetickou látkou na Zemi pred objavom karbidu bóru. Karbid kremíka má mnoho aplikácií vrátane konštrukcie pancierov a použitia ako brusiva na brúsenie/piesok, ako aj na rôzne priemyselné účely.