Prednosti pretvornika iz silicijevega karbida za električna vozila

Tehnologija inverterjev iz silicijevega karbida je zanimiv napredek na področju energetskih polprevodnikov. V primerjavi z običajnimi silicijevimi napravami se ponaša s številnimi prednostmi, med drugim z do desetkrat manjšimi izgubami energije in izboljšano toplotno zmogljivostjo.

McLaren Applied uporablja visokonapetostni polprevodniški polprevodniški tranzistor CoolSiC (MOSFET), ki je zasnovan posebej za visokonapetostne 800-voltne sisteme v pretvornikih vleke električnih vozil.

Gostota moči

Gostota moči pomeni količino električne energije, ki jo lahko pretvornik proizvede na enoto prostornine, kar je pomemben dejavnik pri uporabi v električnih vozilih, ki morajo delovati pri visokih napetostih in frekvencah za čim večjo energetsko učinkovitost. Za dosego tega cilja morajo proizvajalci zmanjšati celotno velikost in hkrati povečati izhodno moč - pri tem so silicijevokarbidni pretvorniki odlični, saj imajo zelo visoko gostoto moči, zaradi česar so bistveno manjši od običajnih pretvornikov.

Parazitno induktivnost je treba omejiti, da se poveča gostota moči, saj lahko prevelika induktivnost povzroči težave, kot so zvonjenje napetosti in povečane emisije EMI ter motnje nizkonapetostnih signalov iz tokovnih senzorjev. Za učinkovito omejitev induktivnosti morajo oblikovalci pri načrtovanju teh rešitev skrbno upoštevati specifikacije napajalnih modulov, tehnologijo vodil, kondenzatorje za povezavo z enosmernim tokom in toplotni razpored.

Široka pasovna vrzel silicijevega karbida omogoča, da tranzistorji prenesejo višje napetosti in temperature kot tipični silicijevi polprevodniki, kar omogoča višje delovne frekvence, ki povečujejo učinkovitost in zmanjšujejo izgube energije. Poleg tega je silicijev karbid odličen prevodnik toplote; trikrat boljši od silicija in drugi za diamantom.

Raziskave NREL na področju toplotnega upravljanja elektroenergetskih modulov s širokim razponom so jim omogočile razvoj prisilnega zračnega hlajenja inverterjev SiC, kar omogoča zmanjšanje površine komponent, izboljšanje zmogljivosti in učinkovitosti ter podporo delovanju pri višjih frekvencah za težke aplikacije.

Učinkovitost

Napajalna elektronika za električna vozila (EV) ima veliko vlogo pri učinkovitosti (in s tem pri dosegu in času polnjenja). Bistveno vlogo ima zlasti inverter, ki pretvarja enosmerno energijo, shranjeno v baterijah, v izmenično energijo, potrebno za vožnjo. Tehnologija silicijevega karbida (SiC) lahko zlahka ponudi rešitev za te visokonapetostne zahteve; že si utira pot v pretvornike za električna vozila.

Polprevodniške naprave SiC so zasenčile tradicionalne bipolarne tranzistorje z izoliranimi vratci (IGBT). Delujejo lahko pri višjih temperaturah in se ponašajo z višjimi prebojnimi polji, obenem pa imajo odlično toplotno prevodnost - to pomeni, da je mogoče dovajati večji tok z manjšimi izgubami in izboljšano učinkovitostjo.

Široka pasovna vrzel SiC omogoča, da naprave iz tega materiala prenesejo veliko višje napetosti in temperature kot podobne naprave iz silicija (Si), kar pomeni manj načinov okvar in večjo zanesljivost v daljšem časovnem obdobju, kar je še posebej dragocena lastnost pretvornikov, pri katerih je dolgoročna zanesljivost ključnega pomena za dolgoročno delovanje.

Za čim večjo učinkovitost pretvornika iz silicijevega karbida je treba pri njegovem načrtovanju upoštevati njegove prednosti. To vključuje skrbno postavitev tiskanega vezja, učinkovito usmerjanje napajanja in učinkovito uporabo tehnik toplotnega upravljanja. Poleg tega je treba uporabiti tudi stroge tehnike preskušanja in zagotavljanja kakovosti, da se zagotovi, da končni izdelek izpolnjuje cilje glede zmogljivosti, učinkovitosti in zanesljivosti - vključno s funkcionalnim preskušanjem, analizo značilnosti električnega delovanja in meritvami učinkovitosti.

Zanesljivost

Silicijev karbid (SiC) je izredno trd polprevodniški material. Poleg tega ima odlično toplotno odpornost in višjo prebojno napetost - lastnosti, zaradi katerih je idealen za visokonapetostne energetske aplikacije, kot so pretvorniki.

Zaradi napredka v tehnikah izdelave so pretvorniki iz silikonskega karbida postali zanesljivejši. To vključuje nove postavitve tiskanih vezij in strategije za upravljanje toplote. Te zasnove omogočajo lažje zmanjšanje hrupa, povečanje učinkovitosti, obvladovanje visokih tokov in obvladovanje večjih tokov brez pregrevanja; izboljšujejo možnosti merjenja toplotnih karakteristik, kar proizvajalcem pomaga hitro ugotoviti težave; ter zagotavljajo izpolnjevanje varnostnih standardov in predpisov o elektromagnetni združljivosti.

MOSFET-i SiC se od tradicionalnih tranzistorjev Si razlikujejo po manjši upornosti na dani površini, kar zmanjšuje izgube prevodne moči in izboljšuje učinkovitost. Poleg tega lahko delujejo pri višjih temperaturah in napetostih kot njihovi tradicionalni kolegi iz silicija, zaradi česar so odlična izbira za vlečne pretvornike električnih vozil, ki zahtevajo večji razpon moči za daljše razdalje vožnje.

Inverterji za električna vozila so ključni sestavni deli električnih sistemov električnih vozil, saj pretvarjajo enosmerni tok iz baterij v izmenični tok za uporabo v motorju in nazaj v enosmerni tok za regenerativno zaviranje. Kot taki so sestavni del pogonskega sklopa električnega vozila in morajo biti zanesljivi. Inženirji so eksperimentirali z različnimi tehnologijami; podjetje Drive System Design je pred kratkim ustvarilo modularno zasnovo inverterja z odprto platformo, ki pospešuje čas razvoja in hkrati zagotavlja zanesljivo delovanje.

Teža

Pretvorniki iz silicijevega karbida so lahko bistveno lažji od svojih tradicionalnih kolegov. Manjša teža omogoča lažjo namestitev in delovanje ter večjo varčnost z energijo in nižje skupne stroške sistema; njihova večja učinkovitost lahko celo podaljša doseg vašega električnega vozila!

Pretvorniki iz silicijevega karbida imajo poleg zmanjšanja teže še številne druge prednosti, med drugim povečajo gostoto moči in učinkovitost. Njihova višja preklopna frekvenca inženirjem omogoča poenostavitev topologij vezij in zmanjšanje števila komponent za večje prihranke pri stroških sestavljanja; posledično so ti inverterji tudi cenovno učinkovitejši in dostopnejši za nakup in vzdrževanje.

Izjemna temperaturna odpornost silicijevega karbida inženirjem omogoča, da povečajo preklopno frekvenco pretvornikov, s čimer zmanjšajo toplotno obremenitev, se oddaljijo od resonančnih frekvenc in zmanjšajo tok valovanja, kar vse vodi k manjšim izgubam. MOSFET-i iz silicijevega karbida tretje generacije podjetja ROHM omogočajo inženirjem, da izkoristijo te prednosti, ne da bi potrebovali zunanji push-pull buffer.

Silicijev karbid je material z izjemno široko pasovno vrzeljo, ki lahko deluje pri višjih temperaturah, napetostih in frekvencah kot tipični silicijevi polprevodniki. Poleg tega je bil zaradi svoje izjemne trdote pred odkritjem borovega karbida najtrša sintetična snov na Zemlji. Silicijev karbid se uporablja v številnih aplikacijah, vključno z izdelavo neprebojnih jopičev in uporabo kot abraziv za brušenje/peščeni papir ter v različnih industrijskih aplikacijah.