Làm thế nào SiC có thể mở rộng phạm vi của xe điện bằng 5%

Nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng, nhận thức môi trường / các quy định môi trường ngày càng tăng và một loạt các lựa chọn có sẵn đang thúc đẩy việc áp dụng xe điện (EV),làm cho chúng ngày càng phổ biếnMột nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng vào năm 2023, doanh số bán xe điện sẽ chiếm 10% doanh số bán ô tô toàn cầu; vào năm 2030, con số này dự kiến sẽ tăng lên

30%; và đến năm 2035, doanh số bán xe điện có thể chiếm một nửa doanh số bán ô tô toàn cầu.

Tuy nhiên, "sự lo lắng về phạm vi", lo ngại rằng số dặm đi được với một lần sạc có thể không đủ, vẫn là một trở ngại đáng kể cho việc áp dụng rộng rãi xe điện.Đánh bại thách thức này là rất quan trọng để mở rộng phạm vi của xe mà không làm tăng đáng kể chi phí.

Bài viết này thảo luận cách sử dụng Silicon Carbide (SiC) Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFET) trong biến tần chính có thể mở rộng phạm vi của xe điện lên đến 5%.Ngoài ra, 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.

Xu hướng trong thiết kế Inverter chính xe điện

Chuyển đổi chính (đặc biệt) trong xe điện chuyển đổi điện áp pin dòng điện liên tiếp (DC) thành điện áp dòng điện xoay (AC) để đáp ứng các yêu cầu điện áp xoay của động cơ kéo điện,cho phép nó lái xe trơn truCác xu hướng mới nhất trong thiết kế biến tần chính bao gồm:

• Tăng sức mạnh:Sức mạnh đầu ra biến tần lớn hơn dẫn đến gia tốc xe nhanh hơn và phản ứng nhanh hơn cho người lái xe.

• Tăng hiệu quả:Giảm thiểu lượng năng lượng tiêu thụ bởi biến tần để tăng sức mạnh có sẵn để lái xe.

• Tăng điện áp:Trong khi pin 400V là thông số kỹ thuật phổ biến nhất trong xe điện cho đến gần đây, ngành công nghiệp ô tô đang chuyển sang 800V để giảm dòng điện, độ dày cáp và trọng lượng.Do đó, biến tần chính trong xe điện phải có khả năng xử lý các điện áp cao hơn và sử dụng các thành phần phù hợp.

• Giảm cân và kích thước:SiC có mật độ công suất cao hơn (kW / kg) so với IGBT dựa trên Silicon. mật độ công suất cao hơn giúp giảm kích thước của hệ thống (kW / L), làm nhẹ biến tần chính và giảm tải trên động cơ.Trọng lượng xe thấp hơn góp phần mở rộng phạm vi của xe sử dụng cùng một pin trong khi giảm khối lượng hệ thống truyền tải và tăng không gian hành khách và buồng hành khách.

Ưu điểm của SiC so với Silicon

So với silicon, Silicon Carbide cung cấp một số lợi thế về tính chất vật liệu, làm cho nó trở thành sự lựa chọn vượt trội cho các thiết kế biến tần chính.với độ cứng Mohs 9.5 so với silicon 6.5, làm cho SiC thích hợp hơn cho sintering điện áp cao và cung cấp tính toàn vẹn cơ học lớn hơn.

Hơn nữa, SiC có độ dẫn nhiệt (4,9W / cm.K) gấp bốn lần so với silicon (1,15W / cm.K), cho phép nó phân tán nhiệt hiệu quả và hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ cao hơn.Điện áp phá vỡ của SiC (2500kV / cm) cao gấp tám lần so với silicon (300kV / cm), và nó có tính chất băng tần rộng, cho phép chuyển đổi nhanh hơn và mất mát thấp hơn so với silicon,làm cho nó trở thành một lựa chọn tốt hơn cho các kiến trúc tăng điện áp (800V) trong xe điện.

Bao bì Ansys SiC cung cấp sức đề kháng nhiệt thấp đặc biệt

Bất chấp những lợi thế rõ ràng của SiC,một số nhà sản xuất ô tô đã miễn cưỡng chuyển từ các thiết bị chuyển đổi dựa trên silicon truyền thống hơn như Transistor Bipolar Gate cách ly (IGBT) để sử dụng trong biến tần chínhCác lý do cho các OEM ngần ngại áp dụng SiC bao gồm:

• Nhận thấy SiC là một công nghệ chưa trưởng thành.

• Thấy việc thực hiện SiC khó khăn.

• Tin rằng SiC thiếu bao bì phù hợp cho các ứng dụng biến tần chính.

• Giả sử cung cấp SiC là ít thuận tiện hơn so với các thiết bị dựa trên silicon.

• Suy nghĩ rằng SiC đắt hơn IGBT.

Vậy làm thế nào để các nhà sản xuất có thể tự tin hơn trong việc sử dụng SiC trong các biến tần chính của xe điện?

Tăng sự tự tin của OEM

Bước đầu tiên để tăng sự tự tin của OEM trong việc sử dụng SiC trong các biến tần chính của xe điện là chứng minh những lợi thế hiệu suất đáng kể có thể đạt được với SiC.Tác giả đã sử dụng phần mềm thiết kế mạch để mô phỏng NVXR17S90M2SPB của Ansys (1.7mΩ Rdson) và NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V six-pack power module và so sánh hiệu suất của chúng với 820A VE-Trac Direct IGBT (cũng từ Ansys).Kết quả mô phỏng cho thiết kế biến tần chính cho thấy rằng:

• Với tần số chuyển đổi 10KHz, với điện áp buýt DC 450V và truyền năng lượng 550Arms,Nhiệt độ nối của mô-đun SiC (Tvj) (111 °C) thấp hơn 21% so với IGBT (142 °C) trong cùng điều kiện làm mát.

• Mức giảm chuyển đổi trung bình cho NVXR17S90M2SPB giảm 34,5%, trong khi NVXR22S90M2SPB giảm 16,3% so với IGBT.

• Mất tổng thể cho thiết kế biến tần chính hoàn chỉnh được thực hiện với NVXR17S90M2SPB đã được giảm hơn 40% so với thiết kế IGBT dựa trên silicon,và mất điện giảm 25% khi sử dụng NVXR22S90M2SPB.

Mặc dù những cải tiến này là cụ thể cho biến tần chính, nhưng chúng có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của xe điện lên đến 5%, dẫn đến việc mở rộng phạm vi hoạt động 5%.một chiếc xe điện được trang bị pin 100kW và tầm hoạt động 500 km, khi sử dụng một biến tần chính dựa trên các mô-đun điện EliteSiC của Ansys, có thể đạt được một phạm vi 525 km.chi phí thực hiện SiC trong các biến tần chính như vậy dự kiến sẽ thấp hơn 5% so với silicon IGBT.

Hơn nữa, đối với các OEM đang xem xét từ bỏ IGBT,Ansys cung cấp các mô-đun SiC với kích thước tương tự để đơn giản hóa tích hợp và chứng minh truyền tải điện năng tăng trong cùng một hạn chế nhiệtNgoài ra, các mô-đun SiC cung cấp lợi thế xử lý mức năng lượng cao hơn ở cùng nhiệt độ nối. ví dụ, NVXR17S90M2SPB có thể cung cấp 760Arms,trong khi IGBT (Tvj = 150 °C) chỉ có thể cung cấp 590ArmsNgoài ra, Ansys liên kết các chip SiC trực tiếp lên nền đồng,giảm kháng nhiệt giữa kết nối thiết bị và chất lỏng làm mát lên đến 20% (Rth kết nối với chất lỏng = 0.08°C/W).

Sử dụng các gói đúc áp suất với công nghệ kết nối tiên tiến làm tăng mật độ điện năng cao của các mô-đun SiC và chúng có độ cảm ứng ký sinh thấp,quan trọng đối với hiệu quả chuyển đổi tốc độ caoHơn nữa, tần số chuyển đổi cao hơn có thể dẫn đến giảm kích thước và trọng lượng của một số thành phần thụ động trong hệ thống.loại bao bì này cung cấp nhiều tùy chọn nhiệt độ (lên đến 200 °C), giảm các yêu cầu quản lý nhiệt của OEM và có khả năng cho phép sử dụng các máy bơm nhỏ hơn để quản lý nhiệt.