Yeni Nesil Yeni Enerji Motor Kontrolör Geliştirme - SiC İnvertör
Elektrikli araç tahrik kumandasında, inverter AC / DC dönüşümü için anahtar bir bileşendir ve motorun sürüşü veya frenlenmesi sırasında enerji geri kazanımı için kullanılır. Piyasa, enerji transfer verimliliği, güç yoğunluğu ve fiyat bakımından kontrol cihazlarından giderek daha fazla talep görmektedir. Güç modülü, yüksek iletim verimliliği ve yüksek güç yoğunluğu elde etmek için sürücünün temel bileşenidir. Şu anda, elektrikli araç tahrik invertörlerinin çoğu, geleneksel Si (silikon) cihazı IGBT (yalıtımlı kapı iki kutuplu transistör) güç modülüne dayanmaktadır. Tasarım, elektrikli araç sürücüsünün güç yoğunluğundaki iyileşmeyi sınırlayan düşük anahtarlama frekansı ve büyük kayıpın dezavantajlarına sahiptir.
SiC (silisyum karbür) Si cihazlarına göre üç avantaja sahiptir: daha yüksek kırılma gerilimi gücü; düşük kayıp; Daha yüksek termal iletkenlik. Bu özellikler SiC cihazlarının yüksek gerilim, yüksek anahtarlama frekansı, yüksek güç yoğunluğu uygulamalarında kullanılabileceği anlamına gelir. SiC modül güç üretim seviyesinin iyileştirilmesiyle, SiC elektrikli araç sürücüleri için daha uygun bir yarı iletken cihaz olacaktır. SiC cihazlarının kullanımı, elektrikli araç sürücülerinin yüksek güç yoğunluğunu elde etmek için etkili bir araçtır. Şu anda, SiC güç modüllerinin motor tahrikli inverterlere uygulanmasına yönelik daha fazla araştırma yapılmıştır. Toyota Motor Corporation, hibrid araçlara SiC güç modülleri uyguladı.
Si cihazları ile karşılaştırıldığında, SiC cihazlarının kullanımı büyük avantajlara sahiptir.
Yüksek verimlilik ve iyileştirilmiş araç kilometresi
SiIGBT'nin açma voltajı düşmesi diyot özellikleri gösterdiğinden: akım çok küçük olsa bile, IGBT'nin ilk açılış voltajı düşmesi büyüktür. SiC MOSFET'in çalıştırma voltajı düşmesi dirençli bir karakteristik sergiler: çalıştırma voltajı düşmesi, çalıştırma akımıyla orantılıdır. SiIGBT ve SiCMOSFET'in iki farklı voltaj gerilimi özelliği, SiCMOSFET'in iletim kaybının sadece akım çok büyük olduğunda SiIGBT'den daha yüksek olduğunu ve SiCMOSFET'in iletim kaybının çoğu mevcut aralıkta SiIGBT'den daha iyi olduğunu belirlemektedir. Tüm araç çalışma koşullarında, çoğu mevcut küçük çalışma koşullarıdır ve büyük tork çalışma koşulu, tüm yol spektrumunda küçük bir oran oluşturur. SiC çip teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, SiCMOSFET'in dayanıklılığı gelecekte SiIGBT'den daha iyi olacaktır.
Bu nedenle, SiC cihazını kullandıktan sonra, invertörün dönüşüm verimliliği önemli ölçüde geliştirilebilir, böylece aynı batarya paketi için SiC cihazının kullanımı tüm aracın kilometresini etkili bir şekilde artırabilir.
Küçük boyut ve yüksek güç yoğunluğu
SiC cihazlarının düşük kaybı nedeniyle, SiC cihazları aynı çıkış gücünü Si cihazlarından daha küçük bir talaş alanıyla elde edebilirler. Aynı zamanda, SiC cihazları yüksek frekanslarda çalışarak, güç cihazı çevresindeki pasif bileşenlerin boyutunu azaltmaya yardımcı olur. United Electronics tarafından geliştirilen SiC invertör, aynı güç seviyesinde onaylı Si invertörün hacminin yarısından fazladır.
Sistem gürültüsünü optimize etmek için yüksek anahtarlama frekansı
Şu anda, Si invertörünün ortak anahtarlama frekansı 5-10 kHz'dir ve sistem, insan kulağı tarafından duyulabilecek frekans aralığında rahatsızlığa neden olması kolay olan 5-20 kHz anahtarlama gürültüsü üretecektir. SiC cihazında, anahtarlama frekansı 40 kHz'e yükseltilerek, sistem tarafından oluşturulan anahtarlama gürültüsü insan kulağı tarafından duyulabilecek frekans aralığını aşabilir. Aynı zamanda, mevcut kontrol harmoniklerinin azaltılmasına yardımcı olmak için anahtarlama frekansı arttırılarak elektromanyetik gürültünün azaltılması ve aracın sürüş deneyiminin geliştirilmesi sağlanır.
Ancak, SiC cihazlarının mevcut kullanımı da büyük zorluklar ortaya koymaktadır.
SiC cihazları daha pahalıdır
Mevcut SiC yonga işlemi, 4 inçlik gofretler için esas olarak Si kadar olgun olmadığından, malzeme kullanım oranı yüksek değildir ve Si yonga gofreti 8 inç ve hatta 12 inç olarak geliştirilmiştir. Diğer taraftan, piyasada SiC yongalarına olan talep henüz artmadı ve diğer yandan SiC yongalarının maliyeti nispeten yüksek.
SiC cihaz paketleme teknolojisi geliştirme geride kalıyor
Şu anda, dünyadaki pek çok ana güç cihazı tedarikçisi, SiC yongalarını araştırdı ve geliştirdi, ancak bunun aksine, SiC cihazları için paketleme teknolojisinin gelişimi geride kaldı. Si yonga ile karşılaştırıldığında, SiC yonga daha yüksek sıcaklık direncine sahiptir ve çalışma sıcaklığı 200 dereceyi geçebilir. Bununla birlikte, SiC modülünde kullanılan sızdırmazlık teknolojisi hala Si modülüyle tasarlanmıştır ve güvenilirliği ve ömrü 200 dereceyi karşılayamaz. İş gereksinimleri. SiC yongasının uygulama koşulları sınırlıdır.
Sürücü koruma teknolojisi
Si çipine kıyasla, kısa devre SiC çipinin dayanma kabiliyeti büyük ölçüde azaltılmıştır. Bu nedenle, çalışma sırasında SiC cihazının kısa devre arızasını önlemek için, sürücü devresinin, SiC cihaz sürücü devresinin koruma teknolojisi için önerilen daha düşük bir tepki süresine sahip olması gerekir. Büyük bir meydan okuma.
Termal tasarım
Tek bir SiC yongasının alanı küçük olduğundan, yüksek güç çıkışı elde etmek için paralel olarak daha fazla yonga kullanmak gerekir. Talaşlar arasındaki ısıl dengeyi sağlamak ve talaşın sıcak nokta sıcaklığını izlemek için modülün içindeki talaşın makul düzen tasarımının yapılması büyük bir zorluktur.
Yüksek anahtarlama hızı nedeniyle EMI ve izolasyon problemleri
Si cihazları ile karşılaştırıldığında, SiC cihazlarının anahtarlama hızı önemli ölçüde geliştirilebilir ve anahtarlama işlemindeki di / dt ve dv / dt, cihazın anahtarlama kaybını azaltmaya yardımcı olmakla birlikte iyileştirilir, ancak Ciddi EMI problemleri üretecek, EMI'yi bastırmak için kontrol devresinin ve filtre devresinin uygun şekilde nasıl tasarlanacağı da önemli bir konudur. Aynı zamanda, yüksek dv / dt, emaye tel ve yalıtım halkası gibi yalıtım parçalarının yaşlanmasını hızlandırabilen motor sargılarının yalıtımını olumsuz yönde etkiler ve böylece motorun yalıtım tasarımına yeni zorluklar getirebilir.
sonuç olarak
Mevcut SiC cihaz işlemi Si kadar olgun olmamasına rağmen, SiC paketinin gelişimi nispeten gecikmektedir ve cihazın fiyatı Si'ninkinden birkaç kat daha yüksektir. Bununla birlikte, cihaz teknolojisinin vadesi ve pazardaki SiC cihazlarına olan talebin artmasıyla birlikte, bu dezavantajlar yavaş yavaş yumuşamaya başlayacak ve SiC cihazları doğası gereği yüksek dayanım gerilimi, yüksek anahtarlama frekansı, düşük kayıp ve benzeri şeylerle karşı karşıya kalacak. Avantajları ayrıca gelecekte çok rekabetçi bir materyal olarak daha fazla kullanılabileceğini belirlemektedir.
