Πώς το SiC μπορεί να επεκτείνει την αυτονομία των ηλεκτρικών οχημάτων κατά 5%

Η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση των καταναλωτών, η αυξανόμενη περιβαλλοντική ευαισθητοποίηση / περιβαλλοντικοί κανονισμοί και ένα ευρύτερο φάσμα διαθέσιμων επιλογών οδηγούν στην υιοθέτηση ηλεκτρικών οχημάτων (EV),που τους κάνει όλο και πιο δημοφιλείς.Μια πρόσφατη μελέτη δείχνει ότι μέχρι το 2023, οι πωλήσεις ηλεκτρικών οχημάτων θα αντιπροσωπεύουν το 10% των παγκόσμιων πωλήσεων αυτοκινήτων.

30%· και μέχρι το 2035, οι πωλήσεις ηλεκτρικών οχημάτων ενδέχεται να αντιπροσωπεύουν το ήμισυ των παγκόσμιων πωλήσεων αυτοκινήτων.

Ωστόσο, η "ανησυχία για την εμβέλεια", η ανησυχία ότι το χιλιόμετρο που καλύπτεται με μία μόνο φόρτιση μπορεί να μην είναι αρκετό, παραμένει ένα σημαντικό εμπόδιο για την ευρεία υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων.Η αντιμετώπιση αυτής της πρόκλησης είναι ζωτικής σημασίας για την επέκταση της αυτονομίας του οχήματος χωρίς σημαντική αύξηση του κόστους.

Αυτό το άρθρο εξετάζει πώς η χρήση μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταλλικών μεταΕπιπλέον, it explores why some Original Equipment Manufacturers (OEMs) are hesitant to transition from Silicon-based Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) to SiC devices and the efforts of companies in the supply chain to address OEM concerns while boosting confidence in this mature wide-bandgap semiconductor technology.

Τρέντες στο σχεδιασμό του κύριου μετατροπέα ηλεκτρικού οχήματος

Ο κύριος (πρωταρχικός) μετατροπέας σε ηλεκτρικά οχήματα μετατρέπει την τάση της μπαταρίας συνεχούς ρεύματος (DC) σε τάση εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) για να καλύπτει τις απαιτήσεις τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος του ηλεκτρικού κινητήρα έλξης,που επιτρέπουν την ομαλή οδήγηση του οχήματοςΟι τελευταίες τάσεις στον σχεδιασμό των κυριότερων μετατροπών περιλαμβάνουν:

• Αύξηση ισχύος:Η μεγαλύτερη ισχύς εξόδου του μετατροπέα οδηγεί σε ταχύτερη επιτάχυνση του οχήματος και ταχύτερη ανταπόκριση για τον οδηγό.

• Μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας:Ελαχιστοποίηση της ποσότητας ενέργειας που καταναλώνεται από τον μετατροπέα για να αυξηθεί η διαθέσιμη ισχύς για την οδήγηση του οχήματος.

• Αύξηση τάσης:Ενώ οι μπαταρίες 400V ήταν η πιο κοινή προδιαγραφή σε ηλεκτρικά οχήματα μέχρι πρόσφατα, η αυτοκινητοβιομηχανία κινείται προς τα 800V για να μειώσει το ρεύμα, το πάχος του καλωδίου και το βάρος.Συνεπώς, ο κύριος μετατροπέας των ηλεκτρικών οχημάτων πρέπει να είναι ικανός να χειρίζεται αυτές τις υψηλότερες τάσεις και να χρησιμοποιεί κατάλληλα εξαρτήματα.

• Μείωση βάρους και μεγέθους:Το SiC έχει υψηλότερη πυκνότητα ισχύος (kW/kg) σε σύγκριση με τα IGBT με βάση το πυρίτιο.Το χαμηλότερο βάρος του οχήματος συμβάλλει στην επέκταση της αυτονομίας του οχήματος χρησιμοποιώντας την ίδια μπαταρία, μειώνοντας παράλληλα τον όγκο του συστήματος μεταφοράς και αυξάνοντας τον χώρο επιβατών και αποσκευών.

Πλεονεκτήματα του SiC έναντι του πυριτίου

Σε σύγκριση με το πυρίτιο, το καρβίδιο του πυριτίου προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα όσον αφορά τις ιδιότητες του υλικού, καθιστώντας το ανώτερη επιλογή για τους κύριους σχεδιασμούς μετατροπών.με σκληρότητα Mohs 9.5 σε σύγκριση με τα 6 του πυρίτιο.5, καθιστώντας το SiC πιο κατάλληλο για συγκόλληση υψηλής τάσης και παρέχοντας μεγαλύτερη μηχανική ακεραιότητα.

Επιπλέον, το SiC έχει θερμική αγωγιμότητα (4,9 W/cm.K) τέσσερις φορές μεγαλύτερη από εκείνη του πυριτίου (1,15 W/cm.K), επιτρέποντάς του να εξαλείφει αποτελεσματικά τη θερμότητα και να λειτουργεί αξιόπιστα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.Η τάση διάσπασης του SiC (2500kV/cm) είναι οκτώ φορές υψηλότερη από αυτή του πυριτίου (300kV/cm), και διαθέτει ευρείες ιδιότητες εύρους ζώνης, επιτρέποντας ταχύτερη εναλλαγή και χαμηλότερες απώλειες σε σύγκριση με το πυρίτιο,καθιστώντας την καλύτερη επιλογή για τις αρχιτεκτονικές αυξανόμενης τάσης (800V) σε ηλεκτρικά οχήματα.

Οι συσκευασίες Ansys SiC προσφέρουν εξαιρετικά χαμηλή θερμική αντοχή

Παρά τα προφανή πλεονεκτήματα της SiC,Ορισμένοι κατασκευαστές αυτοκινήτων διστάζουν να μεταβούν από τις παραδοσιακές συσκευές εναλλαγής με βάση το πυρίτιο, όπως οι διπολικοί τρανζίστορες με μονωμένη πύλη (IGBTs) για χρήση στον κύριο μετατροπέα.Οι λόγοι για τους OEM που διστάζουν να υιοθετήσουν το SiC περιλαμβάνουν:

• Αντιλαμβάνονται το SiC ως μια ανώριμη τεχνολογία.

• Βρίσκω την εφαρμογή του SiC δύσκολη.

• Θεωρώντας ότι το SiC δεν διαθέτει κατάλληλη συσκευασία για τις κύριες εφαρμογές μετατροπέων.

• Υποθέτοντας ότι η παροχή SiC είναι λιγότερο βολική σε σύγκριση με συσκευές με βάση το πυρίτιο.

• Νομίζοντας ότι το SiC είναι πιο ακριβό από τα IGBTs.

Έτσι, πώς μπορούν οι κατασκευαστές να γίνουν πιο σίγουροι για τη χρήση SiC στους κύριους μετατροπείς ηλεκτρικών οχημάτων;

Ενίσχυση της εμπιστοσύνης OEM

Το πρώτο βήμα για την ενίσχυση της εμπιστοσύνης των κατασκευαστών OEM στη χρήση του SiC στους κύριους μετατροπείς ηλεκτρικών οχημάτων είναι η απόδειξη των σημαντικών πλεονεκτημάτων απόδοσης που μπορούν να επιτευχθούν με το SiC.Ο συγγραφέας χρησιμοποίησε λογισμικό σχεδιασμού κυκλωμάτων για να προσομοιώσει το NVXR17S90M2SPB της Ansys (1.7mΩ Rdson) και NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V ενότητες ισχύος έξι πακέτων και συνέκρινε τις επιδόσεις τους με τις 820A VE-Trac Direct IGBT (επίσης από την Ansys).Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τον κύριο σχεδιασμό του μετατροπέα έδειξαν ότι:

• Με συχνότητα διασύνδεσης 10KHz, με τάση 450V DC bus και μετάδοση ισχύος 550Arms,Η θερμοκρασία διασύνδεσης (Tvj) της μονάδας SiC (111°C) ήταν 21% χαμηλότερη από την IGBT (142°C) υπό τις ίδιες συνθήκες ψύξης.

• Οι μέσες απώλειες μετάβασης για το NVXR17S90M2SPB μειώθηκαν κατά 34,5%, ενώ οι απώλειες για το NVXR22S90M2SPB μειώθηκαν κατά 16,3% σε σύγκριση με το IGBT.

• Οι συνολικές απώλειες για τον πλήρη σχεδιασμό του κύριου μετατροπέα που εφαρμόστηκε με το NVXR17S90M2SPB μειώθηκαν κατά περισσότερο από 40% σε σύγκριση με ένα σχεδιασμό IGBT με βάση το πυρίτιο,και οι απώλειες ισχύος μειώθηκαν κατά 25% όταν χρησιμοποιήθηκε NVXR22S90M2SPB.

Παρόλο που οι βελτιώσεις αυτές είναι ειδικές για τον κύριο μετατροπέα, μπορούν να βελτιώσουν τη συνολική απόδοση των ηλεκτρικών οχημάτων κατά 5%, με αποτέλεσμα την επέκταση της αυτονομίας κατά 5%.ηλεκτρικό όχημα που είναι εξοπλισμένο με μπαταρία 100 kW και με αυτονομία 500 χιλιομέτρων, όταν χρησιμοποιείται ένας κύριος μετατροπέας βασισμένος στις μονάδες ισχύος EliteSiC της Ansys, θα μπορούσε να επιτύχει εμβέλεια 525 χιλιομέτρων.Το κόστος εφαρμογής SiC σε τέτοιους κύριους μετατροπείς αναμένεται να είναι 5% χαμηλότερο από τα IGBT πυριτίου.

Επιπλέον, για τους κατασκευαστές OEM που σκέφτονται να εγκαταλείψουν τα IGBT,Η Ansys προσφέρει μονάδες SiC με παρόμοια μεγέθη για να απλοποιήσει την ενσωμάτωση και να αποδείξει αυξημένη μετάδοση ισχύος με τους ίδιους θερμικούς περιορισμούςΕπιπλέον, οι μονάδες SiC προσφέρουν το πλεονέκτημα της διαχείρισης υψηλότερων επιπέδων ισχύος στην ίδια θερμοκρασία διασταύρωσης.ενώ η IGBT (Tvj = 150°C) μπορεί να παρέχει μόνο 590ArmsΕπιπλέον, η Ansys συνδέει τσιπάκια SiC απευθείας σε υποστρώματα χαλκού,μείωση της θερμικής αντίστασης μεταξύ της διασύνδεσης της συσκευής και του υγρού ψύξης έως και κατά 20% (Rth διασύνδεση με το υγρό = 00,08 °C/W).

Η χρήση συσκευασιών που τυποποιούνται υπό πίεση με προηγμένη τεχνολογία διασύνδεσης ενισχύει περαιτέρω την υψηλή πυκνότητα ισχύος των μονάδων SiC και διαθέτουν χαμηλή παρασιτική επαγωγικότητα,κρίσιμη για την αποτελεσματικότητα της στροφής υψηλής ταχύτηταςΕπιπλέον, η υψηλότερη συχνότητα εναλλαγής μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του μεγέθους και του βάρους ορισμένων παθητικών στοιχείων εντός του συστήματος.ο τύπος αυτός συσκευασίας προσφέρει πολλαπλές επιλογές θερμοκρασίας (μέχρι 200°C), μειώνοντας τις απαιτήσεις διαχείρισης θερμότητας του OEM και ενδεχομένως επιτρέποντας τη χρήση μικρότερων αντλιών για τη διαχείριση θερμότητας.