Το καρβίδιο του πυριτίου έχει γίνει ένα από τα πιο σημαντικά υλικά ημιαγωγών στην ηλεκτρονική ισχύ των ηλεκτρικών οχημάτων.ηλεκτρικός κινητήρας ή σώμα οχήματος.
Αντίθετα,Σφραγίδες από καρβίδιο του πυριτίουΟι συσκευές αυτές ελέγχουν και μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια υψηλής τάσης στο εσωτερικό του οχήματος.
Οι κύριες εφαρμογές στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας περιλαμβάνουν μετατροπείς έλξης, φορτιστές εσωτερικής συσκευής, μετατροπείς υψηλής τάσης DC-DC και επιλεγμένα συστήματα βοηθητικής ισχύος.Το SiC είναι επίσης όλο και πιο σημαντικό στην υποδομή φόρτισης.
| Συστατικό EV | Κύρια λειτουργία | Τυπική εφαρμογή SiC | Κύριο όφελος |
|---|---|---|---|
| Μετατροπέας έλξης | Μετατρέπει μπαταρία DC σε κινητήρα AC | Ενότητες ισχύος SiC MOSFET | Λιγότερη απώλεια διακόπτη και υψηλότερη πυκνότητα ισχύος |
| Ενσωματωμένο φορτιστή | Μετατρέπει το δίκτυο AC σε μπαταρία DC | Μεταλλικά υλικά που περιέχουν: | Μεγαλύτερη απόδοση και μικρότερα μαγνητικά εξαρτήματα |
| Μετατροπέας υψηλής τάσης DC-DC | Μετατρέπει την τάση της μπαταρίας έλξης σε 12 V ή 48 V | Διακόπτες ισχύος SiC | Αποδοτική μετατροπή τάσης |
| Μετατροπέας ηλεκτρικού συμπιεστή | Οδηγεί τον ηλεκτρικό συμπιεστή κλιματισμού | SiC MOSFET σε επιλεγμένα συστήματα | Μειωμένες απώλειες και βελτιωμένη λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες |
| Υψηλής τάσης βοηθητική ισχύς | Ελέγχου θερμοσίφων, αντλιών και άλλων φορτίων | Συμπλέκτες SiC σε σχέδια υψηλής ισχύος | Σύνθετο μέγεθος και δυνατότητα υψηλής τάσης |
| Ταχεία φόρτιση συνεχούς ρεύματος | Μετατρέπει την ενέργεια του δικτύου σε συνεχές υψηλής τάσης | Μονούλες ισχύος SiC | Μεγαλύτερη απόδοση και πυκνότητα ισχύος της μονάδας φόρτισης |
Μια μπαταρία έλξης EV παρέχει συνεχές ρεύμα, ενώ ο κινητήρας πρόωσης απαιτεί κανονικά ελεγχόμενο εναλλασσόμενο ρεύμα.Η αναγεννητική πέδηση και η παροχή ηλεκτρονικών στοιχείων χαμηλής τάσης απαιτούν μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ διαφορετικών τάσεων και μορφών.
Οι μετατροπές αυτές πραγματοποιούνται από ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος.
Τα παραδοσιακά ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούν συνήθως IGBT πυριτίου, MOSFET πυριτίου και διόδους πυριτίου.Η λειτουργία χαμηλής τάσης και η καθιερωμένη κατασκευή είναι οι κύριες προτεραιότητες.
Ωστόσο, καθώς η τάση και η ισχύς του οχήματος αυξάνονται, η απώλεια διακόπτη, η παραγωγή θερμότητας και το μέγεθος των εξαρτημάτων γίνονται πιο σημαντικά.
Ο μετατροπέας έλξης είναι σήμερα η σημαντικότερη αυτοκινητοβιομηχανική εφαρμογή για το καρβίδιο του πυριτίου.
Κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης, ο μετατροπέας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια συνεχούς ρεύματος από την μπαταρία έλξης σε ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος τριών φάσεων για τον κινητήρα.
Κατά τη διάρκεια της αναγεννητικής πέδησης, η διαδικασία μετατροπής λειτουργεί αντίστροφα.
Επειδή ο μετατροπέας έλξης αλλάζει επανειλημμένα υψηλές τάσεις και μεγάλα ρεύματα, μπορεί να προκαλέσει σημαντικές απώλειες αγωγιμότητας και διακόπτη.Αλλά η συμπεριφορά τους μπορεί να περιορίσει την απόδοση σε υψηλότερες συχνότητες λειτουργίας..
Τα MOSFET SiC μπορούν να παρέχουν:
Η πραγματική βελτίωση της απόδοσης εξαρτάται από την ταχύτητα του οχήματος, το φορτίο του κινητήρα, τη στρατηγική εναλλαγής, τη σχεδίαση ψύξης και τον κύκλο οδήγησης.αλλά η μείωση των απωλειών του μετατροπέα μπορεί να βελτιώσει τη συνολική χρήση ενέργειας.
Το όφελος είναι συχνά ιδιαίτερα πολύτιμο κατά τη λειτουργία με μερικό φορτίο, την οδήγηση σε αυτοκινητόδρομους και σε άλλες συνθήκες στις οποίες η απόδοση των ηλεκτρονικών συστημάτων ισχύος επηρεάζει έντονα τη συνολική κατανάλωση του οχήματος.
Ο ενσωματωμένος φορτιστής, ή OBC, μετατρέπει την εξωτερική ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος σε ελεγχόμενη ηλεκτρική ενέργεια συνεχούς ρεύματος για την φόρτιση της μπαταρίας έλξης.
Τα στάδια μετατροπής ισχύος του μπορούν να περιλαμβάνουν:
Τα MOSFET SiC και οι διόδοι SiC Schottky μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα στάδια διόρθωσης συντελεστή ισχύος και DC-DC. Η ικανότητά τους για μετασχηματισμό υψηλής συχνότητας επιτρέπει στους μηχανικούς να μειώσουν το μέγεθος ορισμένων μετασχηματιστών,Δορυφορικοί συσσωρευτές.
Τα ενδεχόμενα οφέλη των OBC περιλαμβάνουν:
Οι ενσωματωμένοι διμερείς φορτιστές μπορούν επίσης να υποστηρίζουν λειτουργία από όχημα στο δίκτυο, από όχημα στο σπίτι ή από όχημα στο φορτίο.Αυτές οι λειτουργίες απαιτούν αποτελεσματική αμφίδρομη μετατροπή ενέργειας και αντιπροσωπεύουν μια άλλη πιθανή εφαρμογή για τους διακόπτες SiC.
Ωστόσο, η επιλογή των εξαρτημάτων εξακολουθεί να εξαρτάται από την ισχύ του φορτιστή, την τοπολογία διακόπτη, την τάση, τις θερμικές απαιτήσεις και το στόχο του κόστους.
Ένα ηλεκτρικό όχημα συνήθως περιέχει ηλεκτρικά συστήματα υψηλής και χαμηλής τάσης.
Η μπαταρία έλξης μπορεί να λειτουργεί σε αρκετές εκατοντάδες βολτ, ενώ ο φωτισμός, η πληροφορική, οι αισθητήρες, οι ελεγκτές και άλλα ηλεκτρονικά συστατικά λειτουργούν συνήθως από ένα σύστημα 12 V ή 48 V.
Ο μετατροπέας υψηλής τάσης DC-DC μειώνει τη τάση της μπαταρίας έλξης στην απαιτούμενη χαμηλή τάση.
Οι συσκευές SiC μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μετατροπείς υψηλής ισχύος DC-DC για την παροχή αποτελεσματικής εναλλαγής και τη μείωση του μεγέθους του συστήματος.που μπορεί να μειώσει το μέγεθος των μαγνητικών εξαρτημάτων.
Δεν απαιτείται κάθε μετατροπέας συνεχούς ρεύματος σε οχήματα SiC. Τα MOSFET πυριτίου μπορεί να παραμείνουν πιο οικονομικά για στάδια χαμηλότερης ισχύος ή χαμηλότερης τάσης.Η τιμή του SiC αυξάνεται όταν ο μετατροπέας πρέπει να χειρίζεται υψηλή τάση εισόδου, υψηλής ισχύος και απαιτητικές θερμικές συνθήκες.
Σε αντίθεση με έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, ένα ηλεκτρικό όχημα δεν μπορεί να εξαρτάται από την καύσιμη θερμότητα του κινητήρα για να διαχειριστεί όλες τις απαιτήσεις θερμοκρασίας καμπίνας και μπαταρίας.Οι αντλίες ψύξης και οι θερμαντήρες υψηλής τάσης διαδραματίζουν επομένως σημαντικό ρόλο στη θερμική διαχείριση των οχημάτων..
Ένας ηλεκτρικός συμπυκνωτής κλιματισμού περιέχει έναν κινητήρα και έναν μετατροπέα που ελέγχει τον κινητήρα.Τα MOSFET SiC μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επιλεγμένους μετατροπείς συμπιεστών υψηλής τάσης για τη μείωση της απώλειας ισχύος και τη βελτίωση των επιδόσεων σε υψηλές θερμοκρασίες.
Τα πιθανά πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:
Η εφαρμογή είναι λιγότερο καθολική από τον μετατροπέα έλξης.
Οι συσκευές ισχύος SiC μπορούν επίσης να εμφανίζονται σε επιλεγμένα βοηθητικά συστήματα υψηλής τάσης, συμπεριλαμβανομένων:
Πολλά από αυτά τα συστήματα εξακολουθούν να χρησιμοποιούν συσκευές πυριτίου.η συμπαγή συσκευασία ή οι μειωμένες απαιτήσεις ψύξης δικαιολογούν το πρόσθετο κόστος της συσκευής.
Ο ταχύτερος φορτιστής συνεχούς ρεύματος δεν είναι εγκατεστημένος στο εσωτερικό του οχήματος, αλλά αποτελεί σημαντικό μέρος του οικοσυστήματος ηλεκτρικής ενέργειας των ηλεκτρικών οχημάτων.
Οι ταχείς φορτιστές μετατρέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα σε ρυθμιζόμενο υψηλής τάσης συνεχές ρεύμα, το οποίο παραδίδεται απευθείας στη μπαταρία έλξης.οι μονάδες μετατροπής πρέπει να αντέχουν υψηλότερες τάσεις, ρεύματα και θερμικά φορτία.
Τα MOSFET και οι διόδοι SiC μπορούν να βοηθήσουν τις μονάδες φόρτισης να επιτύχουν:
Η μέγιστη ταχύτητα φόρτισης εξαρτάται επίσης από την μπαταρία του οχήματος, την κατάσταση φόρτισης, τη θερμοκρασία της μπαταρίας, το πρωτόκολλο φόρτισης,δυναμικότητα καλωδίων και στρατηγική διαχείρισης της θερμότητας.
Η αύξηση της τάσης του συστήματος μπαταρίας επιτρέπει σε ένα όχημα να μεταδίδει την ίδια ισχύ σε χαμηλότερο ρεύμα.
Το χαμηλότερο ρεύμα μπορεί να μειώσει τις απώλειες αντίστασης στα καλώδια, τις μπάρες και τις ηλεκτρικές συνδέσεις.
Ωστόσο, η υψηλότερη τάση του συστήματος θέτει πιο απαιτητικές απαιτήσεις για:
Το καρβίδιο του πυριτίου έχει πολύ υψηλότερο κρίσιμο ηλεκτρικό πεδίο από το πυρίτιο.
Αυτό καθιστά το SiC ιδιαίτερα ελκυστικό για τους μετατροπείς έλξης κλάσης 800 V, τους ενσωματωμένους φορτιστές και τους μετατροπείς DC-DC.Είναι ένας λόγος που η υιοθέτηση SiC αρχίζει συχνά με πλατφόρμες οχημάτων υψηλής τάσης και υψηλών επιδόσεων.
Ένα ακατέργαστο πλακάκι SiC δεν εγκαταστάθηκε κανονικά απευθείας σε ηλεκτρικό όχημα.
Το υλικό προέλευσης SiC υψηλής καθαρότητας επεξεργάζεται σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες για να αναπτυχθεί μια μονοκρυσταλλική σφαίρα SiC.
Η σφαίρα προσανατολίζεται, κόβεται, αλείφεται, γυαλίζεται και καθαρίζεται για την παραγωγή υπόστρωτων SiC.
Ένα ελεγχόμενο επιτοξικό στρώμα SiC αναπτύσσεται στο γυαλισμένο υπόστρωμα.
Οι διεργασίες ημιαγωγών σε επίπεδο κυψελών δημιουργούν SiC MOSFET, διόδους Schottky ή άλλες συσκευές ισχύος.
Η τελική μονάδα μπορεί να περιλαμβάνει ημιαγωγούς, μεταλλικούς αγωγούς, κεραμικά υποστρώματα,Πίνακες βάσης και διεπαφές ψύξης.
Οι συσκευασμένες συσκευές ή ενότητες ενσωματώνονται στον μετατροπέα, στο φορτιστή ή στον μετατροπέα.Τα συστήματα ψύξης και το λογισμικό ελέγχου πρέπει όλα να είναι βελτιστοποιημένα για την ηλεκτρική συμπεριφορά του SiC.
Τα MOSFET SiC μπορούν να αλλάξουν πιο αποτελεσματικά από τα IGBT πυριτίου σε πολλές εφαρμογές υψηλής τάσης.
Η υψηλότερη συχνότητα λειτουργίας μπορεί να μειώσει το μέγεθος των επιλεγμένων μετασχηματιστών, επαγωγών και πυκνωτών.Η υψηλότερη συχνότητα αυξάνει επίσης τη σημασία της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής και του ελέγχου της διάταξης του κυκλώματος..
Η ευρεία ζώνη διαχωρισμού του SiC υποστηρίζει τη λειτουργία σε πιο απαιτητικές συνθήκες θερμοκρασίας.οδηγούς πύλης και απαιτήσεις αξιοπιστίας του συστήματος.
Η χαμηλότερη απώλεια και η υψηλότερη συχνότητα εναλλαγής επιτρέπουν να χειρίζεται περισσότερη ισχύ σε μικρότερο όγκο όταν το πλήρες σύστημα έχει σχεδιαστεί αναλόγως.
Το SiC είναι κατάλληλο για τις τάσεις τάσης που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα συστήματα έλξης και φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, ιδιαίτερα στις πλατφόρμες υψηλής τάσης.
Το SiC μπορεί να μειώσει τις απώλειες μετατροπής ισχύος, αλλά δεν υπάρχει καθολικό ποσοστό με το οποίο αυξάνει την αυτονομία του οχήματος.
Το αποτέλεσμα εξαρτάται από:
Οι κατασκευαστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν το πλεονέκτημα απόδοσης με διαφορετικούς τρόπους.να μειωθεί το μέγεθος του συστήματος ψύξης ή να αυξηθεί η απόδοση του οχήματος.
Επομένως, το SiC θα πρέπει να αξιολογείται σε επίπεδο συστήματος και όχι μόνο με τη σύγκριση των επιμέρους προδιαγραφών των ημιαγωγών.
Το καρβίδιο του πυριτίου προσφέρει ισχυρές επιδόσεις, αλλά παρουσιάζει επίσης τεχνικές και εμπορικές προκλήσεις.
Η ανάπτυξη των κρυστάλλων SiC και η επεξεργασία των πλακών είναι πιο δύσκολη από την συμβατική παραγωγή πυριτίου.
Οι μικροσωλήνες, οι εκτομές, τα λάθη στο στοίβασμα, οι γρατζουνιές στην επιφάνεια και οι υποεπιφανειακές βλάβες μπορούν να επηρεάσουν την επιτακτική ανάπτυξη και την απόδοση της συσκευής.Οι εφαρμογές στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας απαιτούν αυστηρή συνέπεια υλικών και ιχνηλασιμότητα.
Τα MOSFET SiC αλλάζουν γρήγορα και απαιτούν προσεκτικά σχεδιασμένους οδηγούς πύλης, κυκλώματα προστασίας και έλεγχο μετάδοσης.
Οι γρήγορες μεταβάσεις ρεύματος και τάσης καθιστούν ιδιαίτερα σημαντική τη διάταξη του μοντέλου, το σχεδιασμό της μπάρας διασύνδεσης και την επαγωγικότητα του πακέτου.
Οι υψηλότερες ταχύτητες εναλλαγής μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας εάν το πλήρες σύστημα ισχύος δεν έχει σχεδιαστεί σωστά.
Οι συσκευές SiC ενδέχεται να απαιτούν ταχύτερη ανίχνευση και προστασία σφαλμάτων από τις παραδοσιακές IGBT πυριτίου, ανάλογα με τη σχεδίαση της συσκευής και του συστήματος.
Για συστήματα χαμηλής τάσης ή ευαίσθητα στο κόστος, τα MOSFET και τα IGBT από πυρίτιο μπορεί να παρέχουν ακόμα την καλύτερη ισορροπία απόδοσης, ωριμότητας και κόστους.
Η ποιότητα του υπόστρωμα SiC επηρεάζει άμεσα την επιτακτική ανάπτυξη και την κατασκευή συσκευής.Οι αγοραστές θα πρέπει να καθορίζουν περισσότερα από τη διάμετρο και το πάχος της πλάκας.
Σημαντικές παραμέτρους RFQ περιλαμβάνουν:
Τα ερευνητικά πλακάκια, τα πλακάκια εικονικών και τα υποστρώματα για συσκευές δεν πρέπει να αντιμετωπίζονται ως εναλλάξιμα υλικά.απαιτήσεις βαθμονόμησης εξοπλισμού ή παραγωγής συσκευής.
Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται κυρίως στα συστήματα μετατροπής ισχύος υψηλής τάσης των ηλεκτρικών οχημάτων.Μετατροπείς συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης και επιλεγμένα συστήματα θερμικής διαχείρισης ή βοηθητικών συστημάτων τροφοδοσίας.
Οι συσκευές SiC λειτουργούν ως ηλεκτρονικοί διακόπτες υψηλής ταχύτητας. Δεν αποθηκεύουν ενέργεια ή κατευθύνουν το όχημα μηχανικά. Αντίθετα, ελέγχουν τον τρόπο με τον οποίο η ηλεκτρική ενέργεια κινείται μεταξύ της μπαταρίας, του κινητήρα,Ηλεκτρονική συσκευή φόρτισης και ηλεκτρονικά οχήματα.
Η χαμηλότερη απώλεια διακόπτη, η ικανότητα υψηλής τάσης και η δυνατότητα υψηλότερης πυκνότητας ισχύος τους καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικούς για τα ηλεκτρικά οχήματα υψηλών επιδόσεων και της κατηγορίας 800 V.η τελική τιμή εξαρτάται από τον πλήρη σχεδιασμό του συστήματος, συμπεριλαμβανομένης της συσκευασίας, της οδήγησης της πύλης, της ψύξης, της προστασίας και της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας.
Καθώς τα ηλεκτρικά συστήματα των ηλεκτρικών οχημάτων συνεχίζουν να κινούνται προς υψηλότερη τάση, ταχύτερη φόρτιση και πιο συμπαγή ηλεκτρονική ισχύ,το καρβίδιο του πυριτίου αναμένεται να διαδραματίσει όλο και πιο σημαντικό ρόλο παράλληλα με τις συμβατικές συσκευές πυριτίου.
Το καρβίδιο του πυριτίου έχει γίνει ένα από τα πιο σημαντικά υλικά ημιαγωγών στην ηλεκτρονική ισχύ των ηλεκτρικών οχημάτων.ηλεκτρικός κινητήρας ή σώμα οχήματος.
Αντίθετα,Σφραγίδες από καρβίδιο του πυριτίουΟι συσκευές αυτές ελέγχουν και μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια υψηλής τάσης στο εσωτερικό του οχήματος.
Οι κύριες εφαρμογές στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας περιλαμβάνουν μετατροπείς έλξης, φορτιστές εσωτερικής συσκευής, μετατροπείς υψηλής τάσης DC-DC και επιλεγμένα συστήματα βοηθητικής ισχύος.Το SiC είναι επίσης όλο και πιο σημαντικό στην υποδομή φόρτισης.
| Συστατικό EV | Κύρια λειτουργία | Τυπική εφαρμογή SiC | Κύριο όφελος |
|---|---|---|---|
| Μετατροπέας έλξης | Μετατρέπει μπαταρία DC σε κινητήρα AC | Ενότητες ισχύος SiC MOSFET | Λιγότερη απώλεια διακόπτη και υψηλότερη πυκνότητα ισχύος |
| Ενσωματωμένο φορτιστή | Μετατρέπει το δίκτυο AC σε μπαταρία DC | Μεταλλικά υλικά που περιέχουν: | Μεγαλύτερη απόδοση και μικρότερα μαγνητικά εξαρτήματα |
| Μετατροπέας υψηλής τάσης DC-DC | Μετατρέπει την τάση της μπαταρίας έλξης σε 12 V ή 48 V | Διακόπτες ισχύος SiC | Αποδοτική μετατροπή τάσης |
| Μετατροπέας ηλεκτρικού συμπιεστή | Οδηγεί τον ηλεκτρικό συμπιεστή κλιματισμού | SiC MOSFET σε επιλεγμένα συστήματα | Μειωμένες απώλειες και βελτιωμένη λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες |
| Υψηλής τάσης βοηθητική ισχύς | Ελέγχου θερμοσίφων, αντλιών και άλλων φορτίων | Συμπλέκτες SiC σε σχέδια υψηλής ισχύος | Σύνθετο μέγεθος και δυνατότητα υψηλής τάσης |
| Ταχεία φόρτιση συνεχούς ρεύματος | Μετατρέπει την ενέργεια του δικτύου σε συνεχές υψηλής τάσης | Μονούλες ισχύος SiC | Μεγαλύτερη απόδοση και πυκνότητα ισχύος της μονάδας φόρτισης |
Μια μπαταρία έλξης EV παρέχει συνεχές ρεύμα, ενώ ο κινητήρας πρόωσης απαιτεί κανονικά ελεγχόμενο εναλλασσόμενο ρεύμα.Η αναγεννητική πέδηση και η παροχή ηλεκτρονικών στοιχείων χαμηλής τάσης απαιτούν μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ διαφορετικών τάσεων και μορφών.
Οι μετατροπές αυτές πραγματοποιούνται από ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος.
Τα παραδοσιακά ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούν συνήθως IGBT πυριτίου, MOSFET πυριτίου και διόδους πυριτίου.Η λειτουργία χαμηλής τάσης και η καθιερωμένη κατασκευή είναι οι κύριες προτεραιότητες.
Ωστόσο, καθώς η τάση και η ισχύς του οχήματος αυξάνονται, η απώλεια διακόπτη, η παραγωγή θερμότητας και το μέγεθος των εξαρτημάτων γίνονται πιο σημαντικά.
Ο μετατροπέας έλξης είναι σήμερα η σημαντικότερη αυτοκινητοβιομηχανική εφαρμογή για το καρβίδιο του πυριτίου.
Κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης, ο μετατροπέας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια συνεχούς ρεύματος από την μπαταρία έλξης σε ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος τριών φάσεων για τον κινητήρα.
Κατά τη διάρκεια της αναγεννητικής πέδησης, η διαδικασία μετατροπής λειτουργεί αντίστροφα.
Επειδή ο μετατροπέας έλξης αλλάζει επανειλημμένα υψηλές τάσεις και μεγάλα ρεύματα, μπορεί να προκαλέσει σημαντικές απώλειες αγωγιμότητας και διακόπτη.Αλλά η συμπεριφορά τους μπορεί να περιορίσει την απόδοση σε υψηλότερες συχνότητες λειτουργίας..
Τα MOSFET SiC μπορούν να παρέχουν:
Η πραγματική βελτίωση της απόδοσης εξαρτάται από την ταχύτητα του οχήματος, το φορτίο του κινητήρα, τη στρατηγική εναλλαγής, τη σχεδίαση ψύξης και τον κύκλο οδήγησης.αλλά η μείωση των απωλειών του μετατροπέα μπορεί να βελτιώσει τη συνολική χρήση ενέργειας.
Το όφελος είναι συχνά ιδιαίτερα πολύτιμο κατά τη λειτουργία με μερικό φορτίο, την οδήγηση σε αυτοκινητόδρομους και σε άλλες συνθήκες στις οποίες η απόδοση των ηλεκτρονικών συστημάτων ισχύος επηρεάζει έντονα τη συνολική κατανάλωση του οχήματος.
Ο ενσωματωμένος φορτιστής, ή OBC, μετατρέπει την εξωτερική ηλεκτρική ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος σε ελεγχόμενη ηλεκτρική ενέργεια συνεχούς ρεύματος για την φόρτιση της μπαταρίας έλξης.
Τα στάδια μετατροπής ισχύος του μπορούν να περιλαμβάνουν:
Τα MOSFET SiC και οι διόδοι SiC Schottky μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα στάδια διόρθωσης συντελεστή ισχύος και DC-DC. Η ικανότητά τους για μετασχηματισμό υψηλής συχνότητας επιτρέπει στους μηχανικούς να μειώσουν το μέγεθος ορισμένων μετασχηματιστών,Δορυφορικοί συσσωρευτές.
Τα ενδεχόμενα οφέλη των OBC περιλαμβάνουν:
Οι ενσωματωμένοι διμερείς φορτιστές μπορούν επίσης να υποστηρίζουν λειτουργία από όχημα στο δίκτυο, από όχημα στο σπίτι ή από όχημα στο φορτίο.Αυτές οι λειτουργίες απαιτούν αποτελεσματική αμφίδρομη μετατροπή ενέργειας και αντιπροσωπεύουν μια άλλη πιθανή εφαρμογή για τους διακόπτες SiC.
Ωστόσο, η επιλογή των εξαρτημάτων εξακολουθεί να εξαρτάται από την ισχύ του φορτιστή, την τοπολογία διακόπτη, την τάση, τις θερμικές απαιτήσεις και το στόχο του κόστους.
Ένα ηλεκτρικό όχημα συνήθως περιέχει ηλεκτρικά συστήματα υψηλής και χαμηλής τάσης.
Η μπαταρία έλξης μπορεί να λειτουργεί σε αρκετές εκατοντάδες βολτ, ενώ ο φωτισμός, η πληροφορική, οι αισθητήρες, οι ελεγκτές και άλλα ηλεκτρονικά συστατικά λειτουργούν συνήθως από ένα σύστημα 12 V ή 48 V.
Ο μετατροπέας υψηλής τάσης DC-DC μειώνει τη τάση της μπαταρίας έλξης στην απαιτούμενη χαμηλή τάση.
Οι συσκευές SiC μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μετατροπείς υψηλής ισχύος DC-DC για την παροχή αποτελεσματικής εναλλαγής και τη μείωση του μεγέθους του συστήματος.που μπορεί να μειώσει το μέγεθος των μαγνητικών εξαρτημάτων.
Δεν απαιτείται κάθε μετατροπέας συνεχούς ρεύματος σε οχήματα SiC. Τα MOSFET πυριτίου μπορεί να παραμείνουν πιο οικονομικά για στάδια χαμηλότερης ισχύος ή χαμηλότερης τάσης.Η τιμή του SiC αυξάνεται όταν ο μετατροπέας πρέπει να χειρίζεται υψηλή τάση εισόδου, υψηλής ισχύος και απαιτητικές θερμικές συνθήκες.
Σε αντίθεση με έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, ένα ηλεκτρικό όχημα δεν μπορεί να εξαρτάται από την καύσιμη θερμότητα του κινητήρα για να διαχειριστεί όλες τις απαιτήσεις θερμοκρασίας καμπίνας και μπαταρίας.Οι αντλίες ψύξης και οι θερμαντήρες υψηλής τάσης διαδραματίζουν επομένως σημαντικό ρόλο στη θερμική διαχείριση των οχημάτων..
Ένας ηλεκτρικός συμπυκνωτής κλιματισμού περιέχει έναν κινητήρα και έναν μετατροπέα που ελέγχει τον κινητήρα.Τα MOSFET SiC μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επιλεγμένους μετατροπείς συμπιεστών υψηλής τάσης για τη μείωση της απώλειας ισχύος και τη βελτίωση των επιδόσεων σε υψηλές θερμοκρασίες.
Τα πιθανά πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:
Η εφαρμογή είναι λιγότερο καθολική από τον μετατροπέα έλξης.
Οι συσκευές ισχύος SiC μπορούν επίσης να εμφανίζονται σε επιλεγμένα βοηθητικά συστήματα υψηλής τάσης, συμπεριλαμβανομένων:
Πολλά από αυτά τα συστήματα εξακολουθούν να χρησιμοποιούν συσκευές πυριτίου.η συμπαγή συσκευασία ή οι μειωμένες απαιτήσεις ψύξης δικαιολογούν το πρόσθετο κόστος της συσκευής.
Ο ταχύτερος φορτιστής συνεχούς ρεύματος δεν είναι εγκατεστημένος στο εσωτερικό του οχήματος, αλλά αποτελεί σημαντικό μέρος του οικοσυστήματος ηλεκτρικής ενέργειας των ηλεκτρικών οχημάτων.
Οι ταχείς φορτιστές μετατρέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα σε ρυθμιζόμενο υψηλής τάσης συνεχές ρεύμα, το οποίο παραδίδεται απευθείας στη μπαταρία έλξης.οι μονάδες μετατροπής πρέπει να αντέχουν υψηλότερες τάσεις, ρεύματα και θερμικά φορτία.
Τα MOSFET και οι διόδοι SiC μπορούν να βοηθήσουν τις μονάδες φόρτισης να επιτύχουν:
Η μέγιστη ταχύτητα φόρτισης εξαρτάται επίσης από την μπαταρία του οχήματος, την κατάσταση φόρτισης, τη θερμοκρασία της μπαταρίας, το πρωτόκολλο φόρτισης,δυναμικότητα καλωδίων και στρατηγική διαχείρισης της θερμότητας.
Η αύξηση της τάσης του συστήματος μπαταρίας επιτρέπει σε ένα όχημα να μεταδίδει την ίδια ισχύ σε χαμηλότερο ρεύμα.
Το χαμηλότερο ρεύμα μπορεί να μειώσει τις απώλειες αντίστασης στα καλώδια, τις μπάρες και τις ηλεκτρικές συνδέσεις.
Ωστόσο, η υψηλότερη τάση του συστήματος θέτει πιο απαιτητικές απαιτήσεις για:
Το καρβίδιο του πυριτίου έχει πολύ υψηλότερο κρίσιμο ηλεκτρικό πεδίο από το πυρίτιο.
Αυτό καθιστά το SiC ιδιαίτερα ελκυστικό για τους μετατροπείς έλξης κλάσης 800 V, τους ενσωματωμένους φορτιστές και τους μετατροπείς DC-DC.Είναι ένας λόγος που η υιοθέτηση SiC αρχίζει συχνά με πλατφόρμες οχημάτων υψηλής τάσης και υψηλών επιδόσεων.
Ένα ακατέργαστο πλακάκι SiC δεν εγκαταστάθηκε κανονικά απευθείας σε ηλεκτρικό όχημα.
Το υλικό προέλευσης SiC υψηλής καθαρότητας επεξεργάζεται σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες για να αναπτυχθεί μια μονοκρυσταλλική σφαίρα SiC.
Η σφαίρα προσανατολίζεται, κόβεται, αλείφεται, γυαλίζεται και καθαρίζεται για την παραγωγή υπόστρωτων SiC.
Ένα ελεγχόμενο επιτοξικό στρώμα SiC αναπτύσσεται στο γυαλισμένο υπόστρωμα.
Οι διεργασίες ημιαγωγών σε επίπεδο κυψελών δημιουργούν SiC MOSFET, διόδους Schottky ή άλλες συσκευές ισχύος.
Η τελική μονάδα μπορεί να περιλαμβάνει ημιαγωγούς, μεταλλικούς αγωγούς, κεραμικά υποστρώματα,Πίνακες βάσης και διεπαφές ψύξης.
Οι συσκευασμένες συσκευές ή ενότητες ενσωματώνονται στον μετατροπέα, στο φορτιστή ή στον μετατροπέα.Τα συστήματα ψύξης και το λογισμικό ελέγχου πρέπει όλα να είναι βελτιστοποιημένα για την ηλεκτρική συμπεριφορά του SiC.
Τα MOSFET SiC μπορούν να αλλάξουν πιο αποτελεσματικά από τα IGBT πυριτίου σε πολλές εφαρμογές υψηλής τάσης.
Η υψηλότερη συχνότητα λειτουργίας μπορεί να μειώσει το μέγεθος των επιλεγμένων μετασχηματιστών, επαγωγών και πυκνωτών.Η υψηλότερη συχνότητα αυξάνει επίσης τη σημασία της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής και του ελέγχου της διάταξης του κυκλώματος..
Η ευρεία ζώνη διαχωρισμού του SiC υποστηρίζει τη λειτουργία σε πιο απαιτητικές συνθήκες θερμοκρασίας.οδηγούς πύλης και απαιτήσεις αξιοπιστίας του συστήματος.
Η χαμηλότερη απώλεια και η υψηλότερη συχνότητα εναλλαγής επιτρέπουν να χειρίζεται περισσότερη ισχύ σε μικρότερο όγκο όταν το πλήρες σύστημα έχει σχεδιαστεί αναλόγως.
Το SiC είναι κατάλληλο για τις τάσεις τάσης που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα συστήματα έλξης και φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, ιδιαίτερα στις πλατφόρμες υψηλής τάσης.
Το SiC μπορεί να μειώσει τις απώλειες μετατροπής ισχύος, αλλά δεν υπάρχει καθολικό ποσοστό με το οποίο αυξάνει την αυτονομία του οχήματος.
Το αποτέλεσμα εξαρτάται από:
Οι κατασκευαστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν το πλεονέκτημα απόδοσης με διαφορετικούς τρόπους.να μειωθεί το μέγεθος του συστήματος ψύξης ή να αυξηθεί η απόδοση του οχήματος.
Επομένως, το SiC θα πρέπει να αξιολογείται σε επίπεδο συστήματος και όχι μόνο με τη σύγκριση των επιμέρους προδιαγραφών των ημιαγωγών.
Το καρβίδιο του πυριτίου προσφέρει ισχυρές επιδόσεις, αλλά παρουσιάζει επίσης τεχνικές και εμπορικές προκλήσεις.
Η ανάπτυξη των κρυστάλλων SiC και η επεξεργασία των πλακών είναι πιο δύσκολη από την συμβατική παραγωγή πυριτίου.
Οι μικροσωλήνες, οι εκτομές, τα λάθη στο στοίβασμα, οι γρατζουνιές στην επιφάνεια και οι υποεπιφανειακές βλάβες μπορούν να επηρεάσουν την επιτακτική ανάπτυξη και την απόδοση της συσκευής.Οι εφαρμογές στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας απαιτούν αυστηρή συνέπεια υλικών και ιχνηλασιμότητα.
Τα MOSFET SiC αλλάζουν γρήγορα και απαιτούν προσεκτικά σχεδιασμένους οδηγούς πύλης, κυκλώματα προστασίας και έλεγχο μετάδοσης.
Οι γρήγορες μεταβάσεις ρεύματος και τάσης καθιστούν ιδιαίτερα σημαντική τη διάταξη του μοντέλου, το σχεδιασμό της μπάρας διασύνδεσης και την επαγωγικότητα του πακέτου.
Οι υψηλότερες ταχύτητες εναλλαγής μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας εάν το πλήρες σύστημα ισχύος δεν έχει σχεδιαστεί σωστά.
Οι συσκευές SiC ενδέχεται να απαιτούν ταχύτερη ανίχνευση και προστασία σφαλμάτων από τις παραδοσιακές IGBT πυριτίου, ανάλογα με τη σχεδίαση της συσκευής και του συστήματος.
Για συστήματα χαμηλής τάσης ή ευαίσθητα στο κόστος, τα MOSFET και τα IGBT από πυρίτιο μπορεί να παρέχουν ακόμα την καλύτερη ισορροπία απόδοσης, ωριμότητας και κόστους.
Η ποιότητα του υπόστρωμα SiC επηρεάζει άμεσα την επιτακτική ανάπτυξη και την κατασκευή συσκευής.Οι αγοραστές θα πρέπει να καθορίζουν περισσότερα από τη διάμετρο και το πάχος της πλάκας.
Σημαντικές παραμέτρους RFQ περιλαμβάνουν:
Τα ερευνητικά πλακάκια, τα πλακάκια εικονικών και τα υποστρώματα για συσκευές δεν πρέπει να αντιμετωπίζονται ως εναλλάξιμα υλικά.απαιτήσεις βαθμονόμησης εξοπλισμού ή παραγωγής συσκευής.
Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται κυρίως στα συστήματα μετατροπής ισχύος υψηλής τάσης των ηλεκτρικών οχημάτων.Μετατροπείς συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης και επιλεγμένα συστήματα θερμικής διαχείρισης ή βοηθητικών συστημάτων τροφοδοσίας.
Οι συσκευές SiC λειτουργούν ως ηλεκτρονικοί διακόπτες υψηλής ταχύτητας. Δεν αποθηκεύουν ενέργεια ή κατευθύνουν το όχημα μηχανικά. Αντίθετα, ελέγχουν τον τρόπο με τον οποίο η ηλεκτρική ενέργεια κινείται μεταξύ της μπαταρίας, του κινητήρα,Ηλεκτρονική συσκευή φόρτισης και ηλεκτρονικά οχήματα.
Η χαμηλότερη απώλεια διακόπτη, η ικανότητα υψηλής τάσης και η δυνατότητα υψηλότερης πυκνότητας ισχύος τους καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικούς για τα ηλεκτρικά οχήματα υψηλών επιδόσεων και της κατηγορίας 800 V.η τελική τιμή εξαρτάται από τον πλήρη σχεδιασμό του συστήματος, συμπεριλαμβανομένης της συσκευασίας, της οδήγησης της πύλης, της ψύξης, της προστασίας και της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας.
Καθώς τα ηλεκτρικά συστήματα των ηλεκτρικών οχημάτων συνεχίζουν να κινούνται προς υψηλότερη τάση, ταχύτερη φόρτιση και πιο συμπαγή ηλεκτρονική ισχύ,το καρβίδιο του πυριτίου αναμένεται να διαδραματίσει όλο και πιο σημαντικό ρόλο παράλληλα με τις συμβατικές συσκευές πυριτίου.