Nästa generationens nya energimotorstyrningsutveckling - SiC-omvandlare
I styrenheten för elfordon är omformaren en nyckelkomponent för omvandling av energi AC / DC, och används för energiåtervinning vid körning eller bromsning av motorn. Marknaden efterfrågar alltmer kontrollörer när det gäller energieffektivitet, kraftdensitet och pris. Effektmodulen är omvandlarens nyckelkomponent för att uppnå hög överföringseffektivitet och hög effektdensitet. För närvarande är de flesta av de elektriska fordonsdrivna omformarna baserade på den traditionella Si-kiselenheten IGBT (isolerad grindbipolär transistor) effektmodul. Konstruktionen har nackdelarna med låg omkopplingsfrekvens och stor förlust, vilket begränsar förbättringen av eldrivkraften hos elfordonsföraren.
SiC (kiselkarbid) har tre fördelar över Si-enheter: högre spänningsstyrka, lägre förlust; högre värmeledningsförmåga. Dessa egenskaper betyder att SiC-enheter kan användas i högspännings, hög switchfrekvens, applikationer med hög effektdensitet. Med förbättringen av SiC-modulens kraftproduktionsnivå kommer SiC att vara en mer lämplig halvledaranordning för elfordonsförare. Användningen av SiC-enheter är ett effektivt sätt att uppnå hög effektdensitet hos fordonsförare. För närvarande har fler och fler undersökningar tillämpats på tillämpningen av SiC-effektmoduler till motordrivna växelriktare. Toyota Motor Corporation har tillämpat SiC-effektmoduler på hybridfordon.
Jämfört med Si-enheter har användningen av SiC-enheter stora fördelar.
Hög effektivitet och förbättrad körsträcka
Eftersom SiIGBT-spänningsfallet uppvisar diodegenskaper: även om strömmen är liten har IGBT ett stort initialt spänningsfall. Sänkningsspänningsfallet i SiC MOSFET uppvisar en resistiv egenskap: dess spänningsfall är proportionellt mot startströmmen. De två olika spänningsegenskaperna hos SiIGBT och SiCMOSFET bestämmer att ledningsförlusten av SiCMOSFET är högre än SiIGBT-värdet endast när strömmen är väldigt stor och ledningsförlusten av SiCMOSFET är bättre än SiIGBT i de flesta intervall. Under hela fordonets arbetsförhållanden är de flesta av de små nuvarande arbetsförhållandena och det stora vridmomentets arbetsförhållanden står för en liten andel i hela vägtrafiken. Med utvecklingen av SiC-chipteknologi kommer SiCMOSFET-resistansen att bli bättre än SiIGBT i framtiden.
Därför kan omvandlingseffektiviteten hos växelriktaren, efter användning av SiC-enheten, förbättras väsentligt, så att användningen av SiC-enheten för samma batteripaket effektivt kan förbättra körhastigheten för hela fordonet.
Liten storlek och hög effektdensitet
På grund av den låga förlusten av SiC-enheter kan SiC-enheter uppnå samma uteffekt med en mindre chiparea än Si-enheter. Samtidigt kan SiC-enheter fungera vid höga frekvenser, vilket bidrar till att minska storleken på passiva komponenter runt kraftenheten. SiC-omvandlaren som utvecklats av United Electronics är mer än hälften av den godkända Si-omformaren på samma effektnivå.
Hög växlingsfrekvens för att optimera systemljud
För närvarande är den gemensamma omkopplingsfrekvensen för Si-omformaren 5-10 kHz, och systemet kommer att generera 5-20 kHz omkopplingsbuller, vilket är lätt att orsaka obehag i frekvensområdet som kan höras av det mänskliga örat. Med SiC-enheten, genom att öka omkopplingsfrekvensen till 40 kHz, kan omkopplingsbrusfrekvensen som genereras av systemet överstiga det frekvensområde som kan höras av det mänskliga örat. Samtidigt ökar växlingsfrekvensen för att minska strömstyrkan, vilket reducerar elektromagnetiskt brus och förbättrar fordonets körupplevelse.
Men den nuvarande användningen av SiC-enheter presenterar också stora utmaningar.
SiC-enheter är dyrare
Eftersom den nuvarande SiC-chipprocessen inte är lika mogen som Si, huvudsakligen för 4-tums skivor, är materialutnyttjandegraden inte hög och Si-chipskivan har utvecklats till 8 tum eller till och med 12 tum. Å andra sidan har efterfrågan på SiC-chips på marknaden ännu inte ökat, och å andra sidan är kostnaden för SiC-chips relativt hög.
SiC-enhetens förpackningsteknikutveckling ligger bakom
För närvarande har många leverantörer av strömförsörjningsenheter i världen forskat och utvecklat SiC-chips, men i motsats är utvecklingen av förpackningstekniken för SiC-enheter bakom. Jämfört med Si-chip har SiC-chip högre temperaturmotstånd och dess driftstemperatur kan överstiga 200 grader. Den tätningsteknik som används i SiC-modulen är dock fortfarande konstruerad med Si-modulen, och dess tillförlitlighet och livslängd kan inte uppfylla 200 grader. Jobbkrav. Appliceringsförhållandena för SiC-chipet är begränsade.
Drivskyddsteknik
Jämfört med Si-chipet reduceras kortsäkerhetsförmågan hos SiC-chipet kraftigt. För att förhindra kortslutningsfel hos SiC-enheten under drift måste därför drivkretsen ha en lägre responstid, vilket föreslås för skyddstekniken hos SiC-enhetens drivkrets. En stor utmaning.
Termisk design
Eftersom området för ett enkelt SiC-chip är liten, är det nödvändigt att använda fler chips parallellt för att uppnå hög effekt. Hur man gör en skälig layoutdesign av chipet inuti modulen för att säkerställa värmebalans mellan chipsen och övervaka chipets hot spot-temperatur är en stor utmaning.
EMI och isoleringsproblem som orsakas av hög växelhastighet
Jämfört med Si-enheter kan omkopplingshastigheten hos SiC-enheter förbättras avsevärt, och di / dt och dv / dt i omkopplingsprocessen förbättras, även om detta bidrar till att minska enhetens omkopplingsförlust, men å andra sidan kommer att producera allvarliga EMI problem, hur man korrekt utformar kontrollkretsen och filterkretsen för att undertrycka EMI är också en viktig fråga. Samtidigt påverkar hög dv / dt motorns isolering, vilket kan påskynda åldrandet av de isolerande delarna, såsom den emaljerade ledningen och isoleringsringen, vilket ger nya utmaningar mot motorens isolationsdesign.
För att sammanfatta
Fastän den nuvarande SiC-anordningsprocessen inte är lika mogen som Si, är utvecklingen av SiC-paketet relativt låg och priset för anordningen är flera gånger högre än Si. Med tiden för enhetstekniken och den ökande efterfrågan på SiC-enheter på marknaden kommer dessa nackdelar emellertid gradvis att smidas ut, och SiC-enheter är i sig höga motståndsspänningar, hög omkopplingsfrekvens, låg förlust och så vidare. Fördelarna bestämmer också att det kan användas i allt större utsträckning som ett mycket konkurrenskraftigt material i framtiden.
