Siliciumcarbide is een van de belangrijkste halfgeleidermaterialen in de elektrische elektronica van elektrische voertuigen geworden.elektrische motor of voertuigcarrosserie.

In plaats daarvan,van siliciumcarbideDeze apparaten regelen en zetten hoogspannings elektriciteit in het voertuig om.

De belangrijkste toepassingen in de automobielindustrie zijn tractie-omvormers, ingebouwde opladers, DC-DC-omvormers met hoge spanning en geselecteerde hulpkrachtsystemen.SiC is ook steeds belangrijker in de laadinfrastructuur.

Een snel overzicht van SiC-toepassingen in elektrische voertuigen

De stroomstroom in een elektrisch voertuig begrijpen

Een elektrische tractiebatterij levert gelijkstroom, terwijl de voortstuwingsmotor normaal gesproken gereguleerde wisselstroom vereist.regeneratieve remmen en het leveren van laagspanningselektronica vereisen allemaal dat elektriciteit wordt omgezet tussen verschillende spanningen en vormen.

Deze omzetting wordt uitgevoerd door krachtelektronica.

Traditionele elektrische voertuigen gebruiken vaak silicium-IGBT's, silicium-MOSFET's en siliciumdioden.de laagspanning en de gevestigde productie zijn de belangrijkste prioriteiten.

Naarmate de spanning en het vermogen van het voertuig echter toenemen, worden schakelverlies, warmteopwekking en de grootte van de componenten belangrijker.

1Traction Inverter: De belangrijkste SiC-toepassing in een EV

De tractieomvormer is momenteel de belangrijkste automotive toepassing voor siliciumcarbide.

Tijdens de versnelling zet de omvormer gelijkstroom uit de tractiebatterij om in driefasige wisselstroom voor de motor.

Tijdens regeneratief remmen werkt het omzettingsproces omgekeerd.

Omdat de tractie-omvormer herhaaldelijk hoge spanningen en grote stromen schakelt, kan het aanzienlijke geleidingsverliezen en schakelverliezen veroorzaken.Maar hun schakelgedrag kan de efficiëntie beperken bij hogere frequenties..

SiC-MOSFET's kunnen voorzien van:

• Lagere verliezen bij overstappen
• Verminderde verliezen in verband met terugvordering
• Hogere schakelfrequenties
• Hoogspanningscapaciteit
• Verlaagde koelvereisten in een geoptimaliseerd systeem
• Verhoogde invertervermogendichtheid
• Mogelijke vermindering van de grootte en het gewicht van de omvormer

De werkelijke efficiëntieverbetering is afhankelijk van de snelheid van het voertuig, de motorbelasting, de schakelstrategie, het koelontwerp en de aandrijflijn.Maar het verminderen van de verliezen van de omvormer kan het totale energieverbruik verbeteren.

Het voordeel is vaak bijzonder waardevol tijdens de werking met gedeeltelijke belasting, het rijden op de snelweg en andere omstandigheden waarin de efficiëntie van de krachtelektronica sterk van invloed is op het totale voertuigverbruik.

2Aan boord Charger.

De ingebouwde oplader, of OBC, zet externe wisselstroom om in gecontroleerde gelijkstroom om de tractiebatterij op te laden.

Het vermogen kan worden omgezet in:

• AC-invoerfiltering
• Correctie van de vermogensfactor
• Omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom
• Geïsoleerde of niet-geïsoleerde DC-DC-conversie
• Regeling van de batterijspanning en -stroom

SiC-MOSFET's en SiC-Schottky-dioden kunnen worden gebruikt in de vermogensfactorcorrectie en DC-DC-stadia.met een vermogen van niet meer dan 50 W.

Potentiële OBC-voordelen zijn onder meer:

• Een hogere omzettingsefficiency
• Verminderde warmteopwekking
• Kleine magnetische componenten
• Hoger vermogen
• Een lager systeemgewicht
• Verbeterde geschiktheid voor hoogspanningsbatterijen

Bi-directionele boordladers kunnen ook voertuig-aan-netwerk-, voertuig-aan-thuis- of voertuig-aan-laden-operaties ondersteunen.Deze functies vereisen een efficiënte tweerichtingsconversie van energie en vormen een andere potentiële toepassing voor SiC-switches.

De keuze van de onderdelen is echter nog steeds afhankelijk van het laadvermogen, de schakeltopologie, de spanning, de thermische vereisten en de streefkosten.

3Hoogspannings DC-DC-omvormer

Een elektrisch voertuig bevat normaal gesproken zowel hoogspannings- als laagspanningssystemen.

De tractiebatterij kan op enkele honderden volts werken, terwijl verlichting, infotainment, sensoren, besturingsprogramma's en andere elektronica gewoonlijk van een 12 V- of 48 V-systeem werken.

De hoogspannings DC-DC-omvormer verlaagt de spanning van de tractiebatterij tot de vereiste lage spanning.

SiC-apparaten kunnen worden gebruikt in DC-DC-omvormers met een hoog vermogen om een efficiënte schakeling te bieden en de systeemomvang te verminderen.met een vermogen van niet meer dan 50 W.

Niet elke DC-DC-converter in de automobielindustrie vereist SiC. Silicium-MOSFET's kunnen economischer blijven voor fasen met een lager vermogen of lager spanning.De waarde van SiC neemt toe wanneer de omvormer met een hoge invoerspanning moet omgaan, hoog vermogen en veeleisende thermische omstandigheden.

4Elektrische compressor voor airconditioning

In tegenstelling tot een verbrandingsmotor kan een elektrisch voertuig niet afhankelijk zijn van de afgaswarmte van de motor om alle cabine- en batterijtemperatuurvereisten te beheersen.koelmiddelpompen en hoogspanningsverwarmers spelen daarom een belangrijke rol bij het thermisch beheer van voertuigen.

Een elektrische airconditioningcompressor bestaat uit een motor en een omvormer die de motor bedient.SiC-MOSFET's kunnen worden gebruikt in geselecteerde hoogspanningscompressoromvormers om vermogen te verminderen en de prestaties bij hoge temperaturen te verbeteren.

Mogelijke voordelen zijn:

• Verbeterde efficiëntie van de compressor aandrijving
• Laagere inverterwarmteopwekking
• Meer compacte krachtelektronica
• Betere compatibiliteit met hoogspanningsarchitecturen

De toepassing is minder universeel dan bij de tractieomvormer: de economische verantwoording van SiC is afhankelijk van het compressorvermogen, de werkspanning, het thermische ontwerp en de verwachte efficiëntiewinst.

5Hoogspanningsverwarmers en hulpsystemen

SiC-kragtoestellen kunnen ook voorkomen in geselecteerde hulpsystemen voor hoogspanning, waaronder:

• PTC-verwarmingscontrollers
• Elektronica voor warmtepomp
• elektrische koelmiddeltompels
• elektrische oliepompen
• met een vermogen van niet meer dan 50 W
• motorrijtuigen
• van de soort gebruikt bij de vervaardiging van elektrische toestellen
• elektrische veiligheidsvoorraden
• Bi-directionele energie-modules
• Hoogspanningsdistributie-eenheden

Veel van deze systemen maken nog steeds gebruik van siliciumapparaten.compacte verpakking of verminderde koelkosten rechtvaardigen de extra kosten van het apparaat.

6DC-sneloplaadapparatuur

Een gelijkstroom snellader is niet in het voertuig geïnstalleerd, maar het is een belangrijk onderdeel van het EV-energie-ecosysteem.

Snelopladers zetten stroomomzet om in geregeld hoogspanningsstroom, dat rechtstreeks naar de tractiebatterij wordt geleverd.de omrekeningsmodules moeten met hogere spanningen omgaan, stromen en thermische belastingen.

SiC-MOSFET's en diodes kunnen laadmodules helpen:

• Een hogere efficiëntie van de vermogenconversie
• Verminderde verliezen bij overstappen
• Hogere schakelfrequenties
• Kleine energie-modules
• Lagere koelbehoefte
• Hoger uitgangsvermogen binnen een beperkt ruimtelijk gebied

Het gebruik van SiC bepaalt niet zelfstandig de laadsnelheid. De maximale laadsnelheid is ook afhankelijk van de batterij van het voertuig, de staat van opladen, de batterijtemperatuur, het oplaadprotocol,kabelcapaciteit en thermische beheersstrategie.

Waarom is SiC belangrijk voor 800 V EV-platformen?

Door de spanning van het batterijsysteem te verhogen, kan een voertuig hetzelfde vermogen bij een lagere stroom overbrengen.

Een lagere stroom kan weerstandsverliezen in kabels, busbars en elektrische verbindingen verminderen.

Een hogere systeemspanning stelt echter meer veeleisende eisen aan:

• Spanning voor het uitschakelen van halfgeleiders
• Schakelprestaties
• Elektrische isolatie
• Verpakkingsmaterialen
• Krijp- en vrije afstanden
• Koel- en beschermingssystemen

Siliciumcarbide heeft een veel hoger kritisch elektrisch veld dan silicium.

Dit maakt SiC bijzonder aantrekkelijk voor 800-V-klasse tractie-omvormers, ingebouwde opladers en gelijkstroom- gelijkstroomomvormers.Het is een van de redenen waarom SiC-adoptie vaak begint met hoogspannings- en hoogwaardige voertuigplatforms.

Welke vormen van siliciumcarbide zijn in een voertuig geïnstalleerd?

Een ruwe SiC-wafer wordt normaal gesproken niet rechtstreeks in een elektrisch voertuig geïnstalleerd.

1. SiC kristalgroei

Het hoogzuivere SiC-bronmateriaal wordt bij extreem hoge temperaturen verwerkt om een enkelkristallige SiC-bol te maken.

2Vervaardiging van substraten

De bol wordt georiënteerd, gesneden, gemalen, gepolijst en gereinigd om SiC-substraten te produceren.

3Epitaxiale groei

Op het gepolijste substraat wordt een gecontroleerde SiC-epitaxiale laag gekweekt, waarvan de dikte en doping worden ontworpen op basis van de vereiste toestelspanning en elektrische prestaties.

4Vervaardiging van apparaten

Waferniveau halfgeleiderprocessen maken SiC MOSFETs, Schottky diodes of andere energieapparaten.

5Verpakking en montage van modules

De apparaten worden gesneden, elektrisch aangesloten en in afzonderlijke verpakkingen of vermogensmodules geassembleerd.onderstelplaten en koelinterfaces.

6. Autosysteemintegratie

De ingebouwde apparaten of modules zijn geïntegreerd in de omvormer, oplader of omvormer.Koelsystemen en besturingssoftware moeten allemaal worden geoptimaliseerd voor het elektrische gedrag van SiC.

Waarom verbetert SiC EV Power Electronics?

Lagere wisselverlies

SiC MOSFET's kunnen efficiënter schakelen dan silicium IGBT's in veel hoogspanningstoepassingen.

Hoger schakelfrequentie

Een hogere werkfrequentie kan de grootte van geselecteerde transformatoren, inductoren en condensatoren verminderen.Een hogere frequentie vergroot ook het belang van elektromagnetische interferentie en besturing van de circuitopstelling..

Hoogtemperatuurcapaciteit

De grote bandbreedte van SiC ondersteunt de werking onder meer veeleisende temperatuuromstandigheden.dragers van de poort en vereisten voor de betrouwbaarheid van het systeem.

Hoger vermogen

Een lager verlies en een hogere schakelfrequentie maken het mogelijk om meer vermogen te verwerken in een kleiner volume wanneer het volledige systeem dienovereenkomstig is ontworpen.

Hoogspanningsprestaties

SiC is goed geschikt voor de spanningsklassen die worden gebruikt in moderne tractie- en laadsystemen voor elektrische voertuigen, met name hoogspanningsplatforms.

Vergroot SiC altijd het rijbereik van EV's?

SiC kan vermogen-omzetting verliezen te verminderen, maar er is geen universeel percentage waarmee het voertuig bereik te vergroten.

Het resultaat is afhankelijk van:

• Batterijspanning en -capaciteit
• Motorefficiëntie
• Topologie van de omvormer
• Rijsnelheid
• Gewicht van het voertuig en aerodynamica
• Omgevingstemperatuur
• Ontwerp van het koelsysteem
• Controlestrategie
• Stads- of snelwegcyclus

De fabrikanten kunnen het rendementvoordeel op verschillende manieren gebruiken: een ontwerp kan het rijbereik vergroten, terwijl een ander de batterijcapaciteit kan verminderen,de afmetingen van het koelsysteem verkleinen of de prestaties van het voertuig verhogen.

SiC moet daarom op systeemniveau worden beoordeeld en niet alleen door individuele halfgeleiderspecificaties te vergelijken.

Waarom wordt SiC niet gebruikt in elk energiecomponent van elektrische voertuigen?

Siliciumcarbide biedt sterke prestaties, maar het brengt ook technische en commerciële uitdagingen met zich mee.

Hogere materialen- en apparatuurkosten

De groei van SiC-kristallen en de verwerking van wafers zijn moeilijker dan de conventionele productie van silicium.

Beheersing van kristal- en oppervlaktefouten

Micropipes, verplaatsingen, stapelfouten, oppervlaktescherven en ondergrondse beschadiging kunnen de epitaxiale groei en het rendement van het apparaat beïnvloeden.Automobiele toepassingen vereisen strikte consistentie en traceerbaarheid van het materiaal.

Voorschriften voor de toegangsbeheerder

SiC-MOSFET's schakelen snel en vereisen zorgvuldig ontworpen poortdrivers, beschermingscircuits en schakelbesturing.

Parasieteninductie

Snelle stroom- en spanningsovergangen maken de lay-out van de module, het ontwerp van de busbalk en de inductance van het pakket bijzonder belangrijk.

Elektromagnetische interferentie

Een hogere schakelingssnelheid kan leiden tot problemen met de elektromagnetische compatibiliteit als het volledige energiesysteem niet goed is ontworpen.

Bescherming tegen kortsluiting

SiC-apparaten kunnen snellere foutdetectie en -bescherming vereisen dan traditionele silicium-IGBT's, afhankelijk van het ontwerp van het apparaat en het systeem.

Voor systemen met een lagere spanning of kostengevoelige systemen kunnen silicium-MOSFET's en IGBT's nog steeds de beste balans tussen prestaties, volwassenheid en kosten bieden.

Het selecteren van SiC-substraten voor de ontwikkeling van motorrijtuigen

De kwaliteit van het SiC-substraat beïnvloedt rechtstreeks de epitaxiale groei en de fabricage van het apparaat.de kopers moeten meer specificeren dan de diameter en dikte van de wafer.

Belangrijke RFQ-parameters zijn:

• Polytype, gewoonlijk 4H-SiC
• Leiderschapstype
• Dopant- en resistiviteitsbereik
• Waferdiameter
• Kristallenoriëntatie
• Hoek en richting buiten de as
• Si- of C-gezicht
• Nominale dikte en tolerantie
• Totaal dikteverschil
• Boog en warp
• met een gewicht van niet meer dan 10 kg
• Ruwheid van het oppervlak
• Voorschriften voor micropipe en dislocatie
• Grenswaarden voor oppervlaktefouten
• Specificatie van de rand, platte of inkeping
• Identificatie van wafers en traceerbaarheid van partijen
• Certificaat van analyse en waferkaartvereisten
• Requirements voor reiniging en verpakking

Onderzoekswafels, dummywafels en substraten van apparatuursoort mogen niet als uitwisselbare materialen worden behandeld.eisen voor de kalibratie van de apparatuur of de productie van het apparaat.

Conclusies

Siliciumcarbide wordt voornamelijk gebruikt in de hoogspanningsstroomconversie-systemen van elektrische voertuigen.DC-DC-omvormers van hoogspanning en geselecteerde systemen voor thermisch beheer of hulpkracht.

SiC-apparaten fungeren als hogesnelheids-elektrische schakelaars. Ze slaan geen energie op of sturen het voertuig mechanisch aan. In plaats daarvan regelen ze hoe elektrische energie beweegt tussen de batterij, motor,laadinput en voertuigelektronica.

Het gebruik van de elektrische voertuigen in de categorie 800 V is in het bijzonder aantrekkelijk voor elektrische voertuigen met een laag schakelverlies, een hoogspanningsvermogen en een hogere vermogendichtheid.De definitieve waarde is afhankelijk van het volledige systeemontwerp., met inbegrip van verpakking, toegangspoort, koeling, bescherming en elektromagnetische compatibiliteit.

Als elektrische EV-systemen blijven bewegen naar hogere spanning, snellere opladen en compacter vermogen elektronica,de verwachting is dat siliciumcarbide naast conventionele siliciumapparaten een steeds belangrijkere rol zal spelen.