Hoe SiC het bereik van elektrische voertuigen met 5% kan vergroten

De voortdurend groeiende consumentenvraag, het toenemende milieubewustzijn/milieuregels en een breder scala aan beschikbare opties drijven de invoering van elektrische voertuigen (EV's) voort.Ze worden steeds populairder.Een recente studie toont aan dat in 2023 de verkoop van elektrische voertuigen 10% van de wereldwijde verkoop van auto's zal vertegenwoordigen.

30%; en tegen 2035 kan de verkoop van elektrische voertuigen mogelijk de helft van de wereldwijde autoverkoop vertegenwoordigen.

De "afstandsangst", de bezorgdheid dat de afgelegde kilometers met één oplaad niet voldoende zijn, blijft echter een aanzienlijk obstakel voor de brede adoptie van elektrische voertuigen.Het overwinnen van deze uitdaging is van cruciaal belang om het bereik van het voertuig te vergroten zonder de kosten aanzienlijk te verhogen.

Dit artikel bespreekt hoe met behulp van Silicon Carbide (SiC) Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFET's) in de hoofdomvormer het bereik van het elektrische voertuig met maximaal 5% kan worden verlengd.Bovendien, 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.

Trends in het ontwerp van de hoofdomvormer van elektrische voertuigen

De belangrijkste (primaire) omvormer in elektrische voertuigen zet gelijkstroombatterijspanning (DC) om in wisselstroomspanning (AC) om aan de AC-spanningsvereisten van de elektrische tractiemotor te voldoen,het mogelijk maken het voertuig soepel te rijdenDe laatste trends in het ontwerp van de belangrijkste omvormers zijn onder meer:

• Verhoging van de kracht:Een groter uitgangsvermogen van de omvormer leidt tot een snellere versnelling van het voertuig en een snellere respons voor de bestuurder.

• Maximaal rendement:Het minimaliseren van de hoeveelheid energie die door de omvormer wordt verbruikt om het vermogen dat beschikbaar is voor het aandrijven van het voertuig te verhogen.

• Verhogingspanning:Terwijl 400V-batterijen tot voor kort de meest voorkomende specificatie in elektrische voertuigen waren, beweegt de automobielindustrie zich naar 800V om stroom, kabeldikte en gewicht te verminderen.Daarom, moet de hoofdomvormer van elektrische voertuigen in staat zijn deze hogere spanningen te verwerken en geschikte componenten te gebruiken.

• Gewicht en grootte verminderen:SiC heeft een hogere vermogendichtheid (kW/kg) in vergelijking met silicium-gebaseerde IGBT's. Een hogere vermogendichtheid helpt om de grootte van het systeem (kW/L) te verminderen, de hoofdomvormer te verlichten en de belasting op de motor te verminderen.Een lager gewicht van het voertuig draagt bij tot een grotere actieradius met dezelfde batterij, terwijl het volume van het transmissiesysteem wordt verminderd en de ruimte voor passagiers en kofferbak wordt vergroot.

Voordelen van SiC ten opzichte van silicium

In vergelijking met silicium biedt siliciumcarbide verschillende voordelen in termen van materiaal eigenschappen, waardoor het een superieure keuze voor de belangrijkste omvormers ontwerpen.met een Mohs-hardheid van 9.5 vergeleken met de 6 van silicium.5, waardoor SiC beter geschikt is voor hoogspanningssintering en een grotere mechanische integriteit biedt.

Bovendien heeft SiC een thermische geleidbaarheid (4,9 W/cm.K) die vier keer zo hoog is als die van silicium (1,15 W/cm.K), waardoor het warmte effectief kan afvoeren en betrouwbaar kan werken bij hogere temperaturen.De afbraakspanning van SiC (2500kV/cm) is acht keer hoger dan die van silicium (300kV/cm), en heeft brede bandgap eigenschappen, waardoor snellere schakeling en lagere verliezen mogelijk zijn in vergelijking met silicium,het maakt het een betere keuze voor de stijgende spanningsarchitectuur (800V) in elektrische voertuigen.

Ansys SiC-verpakkingen bieden uitzonderlijk lage thermische weerstand

Ondanks de duidelijke voordelen van SiC,sommige OEM's in de automobielindustrie zijn terughoudend geweest om over te stappen van meer traditionele op silicium gebaseerde schakelapparaten zoals geïsoleerde poortbipolaire transistors (IGBT's) voor gebruik in de hoofdomvormerRedenen waarom OEM's aarzelen SiC te gebruiken zijn onder andere:

• SiC wordt gezien als onvolwassen technologie.

• Het is moeilijk om SiC te implementeren.

• De Commissie is van mening dat SiC geen geschikte verpakking heeft voor de belangrijkste omvormers.

• Ervan uitgaande dat SiC-toevoer minder handig is in vergelijking met silicium-gebaseerde apparaten.

• SiC is duurder dan IGBT's.

Hoe kunnen OEM's meer vertrouwen krijgen in het gebruik van SiC in de hoofdomvormers van elektrische voertuigen?

Verbetering van het vertrouwen in OEM's

De eerste stap om het vertrouwen van OEM's in het gebruik van SiC in hoofdomvormers voor elektrische voertuigen te vergroten, is het aantonen van de aanzienlijke prestatievoordelen die met SiC kunnen worden bereikt.De auteur gebruikte een schakelontwerpssoftware om Ansys' NVXR17S90M2SPB te simuleren (1.7mΩ Rdson) en NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V six-pack power modules en vergeleek hun prestaties met de 820A VE-Trac Direct IGBT (ook van Ansys).Uit de simulatie van het ontwerp van de hoofdomvormer is gebleken dat:

• met een schakelfrequentie van 10 kHz, met een DC-busspanning van 450 V en een vermogenstransmissie van 550 Arms,De verbindingstemperatuur van de SiC-module (Tvj) (111°C) was onder dezelfde koelingsomstandigheden 21% lager dan die van de IGBT (142°C).

• De gemiddelde schakelverliezen voor NVXR17S90M2SPB daalden met 34,5%, terwijl die voor NVXR22S90M2SPB met 16,3% daalden in vergelijking met IGBT.

• De totale verliezen voor het volledige hoofdomvormerontwerp met NVXR17S90M2SPB werden met meer dan 40% verminderd in vergelijking met een op silicium gebaseerd IGBT-ontwerp,en vermogen verliezen werden met 25% verminderd bij gebruik van NVXR22S90M2SPB.

Hoewel deze verbeteringen specifiek zijn voor de hoofdomvormer, kunnen zij het totale rendement van elektrische voertuigen met 5% verhogen, wat resulteert in een verlenging van het bereik met 5%.een elektrisch voertuig met een batterij van 100 kW en een bereik van 500 kilometer, met behulp van een hoofdomvormer op basis van de EliteSiC-vermogensmodules van Ansys, een bereik van 525 kilometer kan bereiken.De kosten van de implementatie van SiC in dergelijke hoofdomvormers zullen naar verwachting 5% lager zijn dan bij silicium-IGBT's..

Voor OEM's die overwegen IGBT's te verlaten,Ansys biedt SiC-modules met vergelijkbare afmetingen aan om de integratie te vereenvoudigen en een verhoogde vermogenstransmissie te demonstreren binnen dezelfde thermische beperkingenBovendien bieden SiC-modules het voordeel van het verwerken van hogere vermogen bij dezelfde verbindingstemperatuur.terwijl IGBT (Tvj = 150°C) slechts 590Arms kan leverenBovendien verbindt Ansys SiC-chips rechtstreeks met kopersubstraten.vermindering van de thermische weerstand tussen de verbinding van het apparaat en de koelvloeistof met maximaal 20% (Rth verbinding met de vloeistof = 00,08 °C/W).

Het gebruik van drukgevormde verpakkingen met geavanceerde interconnectietechnologie verbetert de hoge vermogendichtheid van SiC-modules verder en ze hebben een lage parasitaire inductantie,cruciaal voor de efficiëntie van de hogesnelheidsschakelingBovendien kan de hogere schakelfrequentie leiden tot een vermindering van de grootte en het gewicht van sommige passieve componenten in het systeem.Dit type verpakking biedt meerdere temperatuuropties (tot 200°C), waardoor de vereisten voor warmtebeheer van de OEM worden verminderd en mogelijk het gebruik van kleinere pompen voor warmtebeheer mogelijk wordt gemaakt.