كيف يمكن لـ SiC أن يزيد من مدى السيارة الكهربائية بنسبة 5%

إن الطلب المتزايد باستمرار من المستهلكين، وزيادة الوعي البيئي/الأنظمة البيئية، ومجموعة أوسع من الخيارات المتاحة تدفع إلى اعتماد المركبات الكهربائية،مما يجعلهم أكثر شعبيةتشير دراسة حديثة إلى أنه بحلول عام 2023، ستشكل مبيعات السيارات الكهربائية 10٪ من مبيعات السيارات العالمية. بحلول عام 2030، من المتوقع أن يرتفع هذا الرقم إلى

30%، وبحلول عام 2035، قد تمثل مبيعات السيارات الكهربائية نصف مبيعات السيارات العالمية.

ومع ذلك ، فإن "قلق النطاق" ، وهو القلق من أن المسافة التي يتم تغطيتها بشحنة واحدة قد لا تكون كافية ، لا يزال عقبة كبيرة أمام اعتماد السيارات الكهربائية على نطاق واسع.التغلب على هذا التحدي أمر حاسم في توسيع نطاق السيارة دون زيادة كبيرة في التكاليف.

تناقش هذه المقالة كيف يمكن استخدام ترانزستورات تأثير المجال المعدنية من أكسيد السيليكون (SiC) في المحول الرئيسي لتوسيع نطاق السيارة الكهربائية بنسبة تصل إلى 5٪.بالإضافة إلى, 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.

الاتجاهات في تصميم عاكس المركبات الكهربائية الرئيسي

المحول الرئيسي (الأساسي) في المركبات الكهربائية يحول جهد بطارية التيار المستمر (DC) إلى جهد التيار المتردد (AC) لتلبية متطلبات جهد التيار المتردد لمحرك الجر الكهربائي ،تمكنه من قيادة السيارة بسلاسةأحدث الاتجاهات في تصميم المحول الرئيسي تشمل:

• زيادة القوة:قوة إخراج عاكس أكبر تؤدي إلى تسارع السيارة وأسرع استجابة للسائق.

• زيادة الكفاءة:تقليل كمية الطاقة التي يستهلكها المحول لزيادة الطاقة المتاحة لدفع السيارة.

• رفع الجهد:في حين كانت بطاريات 400 فولت هي المواصفات الأكثر شيوعًا في المركبات الكهربائية حتى وقت قريب ، فإن صناعة السيارات تتحرك نحو 800 فولت لتقليل التيار والسمك والوزن.لذلك، يجب أن يكون المحول الرئيسي في المركبات الكهربائية قادرًا على التعامل مع هذه الجهد العالي واستخدام المكونات المناسبة.

• الحد من الوزن والحجم:يحتوي SiC على كثافة طاقة أعلى (kW / kg) مقارنة مع IGBTs القائمة على السيليكون. تساعد كثافة طاقة أعلى في تقليل حجم النظام (kW / L) ، وتخفيف وزن المحول الرئيسي ، وتقليل الحمل على المحرك.يسهم وزن السيارة المنخفض في توسيع نطاق السيارة باستخدام نفس البطارية مع تقليل حجم نظام النقل وزيادة مساحة الركاب والصندوق.

مزايا الـ SiC على السيليكون

بالمقارنة مع السيليكون ، يقدم كاربيد السيليكون العديد من المزايا من حيث خصائص المواد ، مما يجعله خيارًا متفوقًا لتصميمات المحولات الرئيسية. الأول هو صلابة جسدية ،مع تصنيف صلابة موهز 9.5 بالمقارنة مع السيليكون 65، مما يجعل SiC أكثر ملاءمة للتجمد عالية الجهد وتوفير سلامة ميكانيكية أكبر.

وعلاوة على ذلك، فإن سلك السيليكون لديه موصلة حرارية (4.9W / cm.K) أربعة أضعاف سلك السيليكون (1.15W / cm.K) ، مما يسمح له بتبديد الحرارة بفعالية والعمل بثقة في درجات حرارة أعلى.فجهد الانهيار في سي سي (2500 كيلو فولت / سم) أعلى بثمانية أضعاف من السيليكون (300 كيلو فولت / سم)، ويمتلك خصائص فجوة واسعة، مما يتيح التبديل بشكل أسرع وخسائر أقل مقارنة بالسيليكون،مما يجعلها خيارًا أفضل لهياكل الجهد المتزايد (800 فولت) في المركبات الكهربائية.

تعبئة Ansys SiC تقدم مقاومة حرارية منخفضة بشكل استثنائي

على الرغم من المزايا الواضحة لـ (سي سي)بعض شركات صناعة السيارات كانت مترددة في الانتقال من أجهزة التبديل القائمة على السيليكون التقليدية مثل الترانزستورات الثنائية القطبية المعزولة (IGBTs) للاستخدام في المحول الرئيسيالأسباب التي تجعل شركات OEM تتردد في اعتماد SiC تشمل:

• يدركون أن الـ (سي سي) تكنولوجيا غير ناضجة

• يجد تنفيذ سي سي تحدياً

• يعتقد أن SiC يفتقر إلى عبوة مناسبة لتطبيقات عاكس الرئيسية.

• افتراض أن إمدادات السيك هي أقل ملاءمة مقارنة مع الأجهزة القائمة على السيليكون.

• التفكير بأن سي سي أغلى من IGBTs.

إذاً، كيف يمكن جعل مصنعي المعدات الأصلية أكثر ثقة في استخدام SiC في محولات السيارات الكهربائية الرئيسية؟

تعزيز ثقة مصنعي المنتجات

الخطوة الأولى لتعزيز ثقة OEM في استخدام SiC في محولات المركبات الكهربائية الرئيسية هي إظهار المزايا الكبيرة في الأداء التي يمكن تحقيقها باستخدام SiC.استخدم المؤلف برمجيات تصميم الدوائر لمحاكاة NVXR17S90M2SPB من Ansys (1.7mΩ Rdson) و NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V وحدات طاقة ستة حزم مقارنة أدائها مع 820A VE-Trac Direct IGBT (أيضا من Ansys).أظهرت نتائج المحاكاة لتصميم المحول الرئيسي أن:

• في تردد التبديل 10 كيلو هرتز، مع 450 فولت التيار المباشر في الباص و 550 أرمز نقل الطاقة،كانت درجة حرارة التقاطع في وحدة SiC (Tvj) (111 درجة مئوية) أقل بنسبة 21٪ من IGBT (142 درجة مئوية) في نفس ظروف التبريد.

• انخفضت متوسط خسائر التبديل لـ NVXR17S90M2SPB بنسبة 34.5٪ ، بينما انخفضت خسائر NVXR22S90M2SPB بنسبة 16.3٪ مقارنة مع IGBT.

• خسائر إجمالية لتصميم المحول الرئيسي الكامل الذي تم تنفيذه مع NVXR17S90M2SPB تم تخفيضها بأكثر من 40٪ مقارنة بتصميم IGBT القائم على السيليكون ،وخسائر الطاقة انخفضت بنسبة 25% عند استخدام NVXR22S90M2SPB.

وعلى الرغم من أن هذه التحسينات محددة للمحول الرئيسي، إلا أنها يمكن أن تعزز الكفاءة العامة للسيارات الكهربائية بنسبة 5٪، مما يؤدي إلى زيادة نطاق النقل بنسبة 5٪.سيارة كهربائية مجهزة ببطارية 100 كيلوواط ومدى 500 كيلومتر، عند استخدام عاكس رئيسي مبني على وحدات الطاقة EliteSiC من Ansys ، يمكن أن يحقق مدى 525 كيلومترا.من المتوقع أن تكون تكلفة تطبيق SiC في مثل هذه المحولات الرئيسية أقل بنسبة 5٪ من IGBTs السيليكون.

وعلاوة على ذلك، بالنسبة لمصنعي المعدات الأولية الذين يفكرون في التخلي عن IGBTs،تقدم Ansys وحدات SiC ذات أحجام مماثلة لتبسيط التكامل وإظهار زيادة نقل الطاقة ضمن نفس القيود الحراريةبالإضافة إلى ذلك ، توفر وحدات SiC ميزة التعامل مع مستويات طاقة أعلى في نفس درجة حرارة التقاطع. على سبيل المثال ، يمكن أن يوفر NVXR17S90M2SPB 760Arms ،بينما IGBT (Tvj = 150 °C) يمكن أن توفر فقط 590Armsوبالإضافة إلى ذلك، فإن Ansys يربط رقائق SiC مباشرة على الركائز النحاسية،خفض المقاومة الحرارية بين وصلة الجهاز وسائل التبريد بنسبة تصل إلى 20٪ (Rth وصلة إلى السائل = 0.08°C/W).

استخدام حزم صبغية تحت الضغط مع تكنولوجيا التواصل المتقدمة يعزز كثافة الطاقة العالية للوحدات SiC ، وهي تتميز بسهولة الطفيليات المنخفضة ،حاسمة لكفاءة التبديل عالية السرعةعلاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي ارتفاع تردد التبديل إلى تقليل حجم ووزن بعض المكونات السلبية داخل النظام.هذا النوع من العبوات يقدم خيارات درجة حرارة متعددة (حتى 200 درجة مئوية)، مما يقلل من متطلبات إدارة الحرارة لمصنع الجهاز الأصلي ويمكن أن يسمح باستخدام مضخات أصغر للحفاظ على الحرارة.