SiC สามารถขยายระยะทางรถไฟฟ้าได้ถึง 5%

ความต้องการของผู้บริโภคที่เติบโตอย่างต่อเนื่อง การเพิ่มความรู้เกี่ยวกับสิ่งแวดล้อม / กฎระเบียบสิ่งแวดล้อม และตัวเลือกที่กว้างขวางมากขึ้น กําลังขับเคลื่อนการนําพาหนะไฟฟ้า (EVs) มาใช้ทําให้มันได้รับความนิยมมากขึ้นการศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าภายในปี 2023 การขายรถไฟฟ้าจะมีส่วนแบ่ง 10% ของการขายรถยนต์ทั่วโลก

30% และในปี 2035 การขายรถไฟฟ้าอาจมีศักยภาพเป็นครึ่งหนึ่งของยนต์ที่ขายทั่วโลก

อย่างไรก็ตาม "ความกังวลเกี่ยวกับระยะทาง" ความกังวลว่าระยะทางที่ครอบคลุมด้วยการชาร์จครั้งเดียวอาจไม่เพียงพอ ยังคงเป็นอุปสรรคที่สําคัญต่อการนํารถไฟฟ้ามาใช้ทั่วไปการเอาชนะปัญหานี้เป็นสิ่งสําคัญในการขยายระยะทางของรถยนต์โดยไม่เพิ่มต้นทุนอย่างสําคัญ.

บทความนี้พิจารณาวิธีการใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ทรานซิสเตอร์ผลสนามโลหะ-ออกไซด์-ครึ่งนํา (MOSFETs) ในอินเวอร์เตอร์หลักสามารถขยายระยะทางของรถไฟฟ้าได้ถึง 5%นอกจากนี้, 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.

แนวโน้มในการออกแบบเครื่องปรับเปลี่ยนหลักรถไฟฟ้า

อินเวอร์เตอร์หลัก (หลัก) ในรถไฟฟ้าแปลงความกระตุ้นของแบตเตอรี่แบบกระแสตรง (DC) เป็นความกระตุ้นของกระแสแปร (AC) เพื่อตอบสนองความต้องการของความกระตุ้น AC ของมอเตอร์การดึงไฟฟ้าทําให้มันขับรถได้เรียบร้อยแนวโน้มล่าสุดในการออกแบบตัวแปลงหลักประกอบด้วย:

• เพิ่มพลังงาน:พลังผลิตของอินเวอร์เตอร์ที่ใหญ่ขึ้น จะทําให้รถเร่งเร็วขึ้น และการตอบสนองของคนขับเร็วขึ้น

• เพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดการลดลงจํานวนพลังงานที่ใช้โดยตัวแปลง เพื่อเพิ่มพลังงานที่มีให้ขับขี่รถ

• การเพิ่มความกระชับกําลัง:ขณะที่แบตเตอรี่ขนาด 400 วอลต์ เป็นสเปิคชันที่พบได้มากที่สุดในรถไฟฟ้า จนกระทั่งไม่นานมานี้ สาขาอุตสาหกรรมรถยนต์กําลังเคลื่อนย้ายไปสู่ 800 วอลต์ เพื่อลดกระแสไฟฟ้า ความหนาของสายไฟฟ้า และน้ําหนักดังนั้นอินเวอร์เตอร์หลักในรถไฟฟ้าต้องสามารถจัดการกับความดันสูงเหล่านี้ และใช้ส่วนประกอบที่เหมาะสม

• การ ลด น้ําหนัก และ ขนาดSiC มีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่า (kW / kg) เมื่อเทียบกับ IGBTs ที่ใช้ซิลิคอน ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่าช่วยลดขนาดของระบบ (kW / L), ลดความเบาของตัวแปลงหลักและลดภาระบนมอเตอร์น้ําหนักของรถยนต์ที่ต่ํากว่าจะช่วยขยายระยะทางของรถยนต์โดยใช้แบตเตอรี่เดียวกันในขณะที่ลดปริมาณของระบบส่งและเพิ่มพื้นที่สําหรับผู้โดยสารและกระเป๋าเดินทาง.

ข้อดีของ SiC มากกว่าซิลิคอน

เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน ซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อดีหลายอย่างในแง่ของคุณสมบัติของวัสดุ ทําให้มันเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสําหรับการออกแบบอินเวอร์เตอร์หลักมีความแข็งแรงของมอห์ส 9.5 เมื่อเทียบกับซิลิคอน 6.5, ทําให้ SiC เหมาะสมสําหรับการซินเตอร์ความดันสูงและให้ความสมบูรณ์แบบทางกลที่ดีกว่า

นอกจากนี้ SiC ยังมีความสามารถในการนําไฟฟ้า (4,9W/cm.K) สี่เท่าของซิลิคอน (1,15W/cm.K) ทําให้มันสามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพและทํางานได้อย่างน่าเชื่อถือในอุณหภูมิที่สูงขึ้นความดันการแยกของ SiC (2500kV/cm) มากกว่าของซิลิคอน (300kV/cm) สี่เท่า, และมันมีคุณสมบัติแบนด์เกปกว้าง ทําให้การสลับเร็วขึ้นและสูญเสียน้อยลงเมื่อเทียบกับซิลิคอนทําให้มันเป็นทางเลือกที่ดีกว่าสําหรับสถาปัตยกรรมความกระชับกําลังเพิ่มขึ้น (800V) ในรถไฟฟ้า.

Ansys SiC Packaging มีความทนทานต่อความร้อนที่ต่ํามาก

ถึงแม้ว่า SiC จะมีข้อดีอย่างชัดเจนบาง OEM ของรถยนต์ไม่อยากเปลี่ยนจากอุปกรณ์สวิตชิ่งที่ใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิม เช่น Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) เพื่อใช้ในตัวแปลงหลักสาเหตุที่ทําให้ผู้ผลิตเครื่องจักรประดิษฐ์ออเมลเลียนลังเลที่จะนํา SiC มาใช้ได้แก่

• เห็น SiC เป็นเทคโนโลยีที่ยังไม่ทันสมัย

• พบว่าการนํา SiC มาใช้งานเป็นเรื่องท้าทาย

• เชื่อว่า SiC ไม่มีการบรรจุที่เหมาะสมสําหรับการใช้งานตัวแปลงหลัก

• ถ้าสมมุติว่าการจัดส่ง SiC ไม่ค่อยสะดวก เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอน

• คิดว่า SiC ราคาแพงกว่า IGBTs

ดังนั้น วิธีการที่จะทําให้ผู้ผลิตเครื่องจักร OEM มั่นใจมากขึ้น ในการใช้ SiC ในเครื่องเปลี่ยนหลักของรถไฟฟ้า

เสริมความมั่นใจใน OEM

ขั้นตอนแรกในการส่งเสริมความมั่นใจของ OEM ในการใช้ SiC ในเครื่องเปลี่ยนหลักรถไฟฟ้า คือการแสดงผลประโยชน์ในการทํางานที่สําคัญที่สามารถทําสําเร็จด้วย SiCผู้เขียนใช้โปรแกรมการออกแบบวงจรเพื่อจําลอง NVXR17S90M2SPB ของ Ansys.7mΩ Rdson) และ NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) โมดูลพลังงาน EliteSiC Power 900V รวม 6 แพ็ค และเปรียบเทียบผลงานของพวกเขากับ 820A VE-Trac Direct IGBT (เช่นกันจาก Ansys)ผลการจําลองสําหรับการออกแบบอินเวอร์เตอร์หลักแสดงว่า:

• ที่ความถี่การสลับ 10KHz, ด้วยความกระชับกระแสบัส 450V DC และการส่งพลังงาน 550Armsอุณหภูมิการเชื่อมของโมดูล SiC (Tvj) (111°C) ต่ํากว่า IGBT (142°C) 21% ในสภาพความเย็นเดียวกัน.

• ความสูญเสียในการสลับเฉลี่ยสําหรับ NVXR17S90M2SPB ลดลง 34.5% ในขณะที่ NVXR22S90M2SPB ลดลง 16.3% เมื่อเทียบกับ IGBT

• ความสูญเสียทั้งหมดสําหรับการออกแบบตัวแปลงหลักเต็มที่นําไปใช้กับ NVXR17S90M2SPB ลดลงมากกว่า 40% เมื่อเทียบกับการออกแบบ IGBT ที่ใช้ซิลิคอนและการสูญเสียพลังงานลดลง 25% เมื่อใช้ NVXR22S90M2SPB.

แม้ว่าการปรับปรุงเหล่านี้จะเฉพาะสําหรับตัวแปลงหลัก แต่มันสามารถเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของรถไฟฟ้าได้ถึง 5% ส่งผลให้ระยะทางขยายขึ้น 5%รถยนต์ไฟฟ้าที่มีแบตเตอรี่ 100kW และระยะทาง 500 กิโลเมตร, เมื่อใช้ตัวแปลงหลักที่ใช้โหลดพลังงาน EliteSiC ของ Ansys, สามารถบรรลุระยะทาง 525 กิโลเมตรค่าใช้จ่ายในการนํา SiC มาใช้ในตัวแปลงหลักดังกล่าวคาดว่าจะต่ํากว่า IGBTs ซิลิคอน 5%.

นอกจากนี้สําหรับ OEM ที่กําลังพิจารณาที่จะทิ้ง IGBTsAnsys นําเสนอโมดูล SiC ที่มีขนาดคล้ายกัน เพื่อทําให้การบูรณาการเรียบง่ายและแสดงการส่งพลังงานเพิ่มขึ้นภายในข้อจํากัดทางความร้อนเดียวกันนอกจากนี้ โมดูล SiC ยังมีข้อดีในการจัดการกับระดับพลังงานที่สูงขึ้นในอุณหภูมิการเชื่อมเดียวกัน เช่น NVXR17S90M2SPB สามารถให้ 760Armsขณะที่ IGBT (Tvj = 150 °C) สามารถให้เพียง 590Arms, ส่งผลให้การเพิ่มพลังงาน 29% นอกจากนี้ Ansys ติดต่อชิป SiC โดยตรงกับพื้นฐานทองแดงการลดความต้านทานทางความร้อนระหว่างจุดเชื่อมของอุปกรณ์และของเหลวเย็นสูงสุด 20% (จุดเชื่อม Rth กับของเหลว = 00.08 °C/W)

การใช้พัสดุแบบพิมพ์ความดันที่มีเทคโนโลยีการเชื่อมต่อที่ทันสมัย เพิ่มความหนาแน่นของพลังงานสูงของโมดูล SiC และมันมีอัตราการผลักดันปรสิตต่ําสําคัญสําหรับประสิทธิภาพการสลับความเร็วสูงนอกจากนี้ ความถี่การสลับที่สูงขึ้นสามารถนําไปสู่การลดขนาดและน้ําหนักของส่วนประกอบเฉย ๆ บางส่วนภายในระบบประเภทของบรรจุภัณฑ์นี้สามารถเลือกอุณหภูมิได้หลายแบบ (สูงสุด 200 °C), ลดความต้องการในการจัดการความร้อนของ OEM และอาจอนุญาตให้มีการใช้ปั๊มขนาดเล็กสําหรับการจัดการความร้อน