Næste generation New Energy Motor Controller Udvikling - SiC Inverter
I styreapparatet til elektriske køretøjer er omformeren en nøglekomponent for energi AC / DC konvertering, og bruges til energiudnyttelse under kørsel eller bremsning af motoren. Markedet er i stigende grad krævende for controllere med hensyn til energieffektivitet, strømtæthed og pris. Strømmodulet er nøglekomponenten i inverteren for at opnå høj transmissionseffektivitet og høj effektdensitet. På nuværende tidspunkt er de fleste af de elektriske køretøjsdrevne omformere baseret på det traditionelle Si (silicium) enhed IGBT (isoleret gate bipolar transistor) strømmodul. Designet har ulemperne ved lav omkoblingsfrekvens og stort tab, hvilket begrænser forbedringen af eldriverens effektdensitet.
SiC (siliciumcarbid) har tre fordele i forhold til Si-enheder: højere spændingsstyrke; lavere tab; højere termisk ledningsevne. Disse egenskaber betyder, at SiC-enheder kan anvendes i højspændings-, højkoblingsfrekvens, applikationer med høj effektdensitet. Med forbedringen af SiC-modulets kraftproduktionsniveau vil SiC være en mere egnet halvlederanordning til el-bilister. Anvendelsen af SiC-enheder er et effektivt middel til at opnå høj effektdensitet hos førere af elbiler. På nuværende tidspunkt er flere og flere undersøgelser blevet anvendt til anvendelsen af SiC-effektmoduler til motordrevne omformere. Toyota Motor Corporation har anvendt SiC strømmoduler til hybridbiler.
Sammenlignet med Si-enheder har brugen af SiC-enheder store fordele.
Høj effektivitet og forbedret kilometertal
Da SiIGBT-sænkningsspændingsfaldet udviser diodeegenskaber: Selvom strømmen er lille, har IGBT et stort indledende spændingsfald. Sving-spændingsfaldet i SiC MOSFET udviser en resistiv egenskab: dets spændingsfald er proportional med tilkoblingsstrømmen. De to forskellige spændingsegenskaber ved SiIGBT og SiCMOSFET bestemmer, at ledningsforløbet af SiCMOSFET er højere end SiIGBTs kun, når strømmen er meget stor, og ledningsforløbet af SiCMOSFET er bedre end SiIGBTs i de fleste nuværende intervaller. I hele køretøjets arbejdstilstand er de fleste af de små nuværende arbejdsvilkår, og det store drejningsmoment fungerer for en lille del i hele vejspektret. Med udviklingen af SiC-chipteknologi vil SiCMOSFET's resistens være bedre end SiIGBT i fremtiden.
Derfor kan konverteringseffektiviteten af omformeren efter brug af SiC-enheden forbedres betydeligt, således at brugen af SiC-enheden for den samme batteripakke effektivt kan forbedre køretøjets kilometertal.
Lille størrelse og høj effektdensitet
På grund af det lave tab af SiC-enheder kan SiC-enheder opnå samme udgangseffekt med et mindre chipområde end Si-enheder. Samtidig kan SiC-enheder operere ved høje frekvenser, hvilket bidrager til at reducere størrelsen af passive komponenter omkring strømforsyningen. SiC-inverteren, der er udviklet af United Electronics, er mere end halvdelen af den godkendte Si-omformer på samme effektniveau.
Høj switchfrekvens for at optimere systemstøj
I øjeblikket er den almindelige omstillingsfrekvens for Si-omformeren 5-10 kHz, og systemet vil generere 5-20 kHz koblingsstøj, hvilket er let at forårsage ubehag i det frekvensområde, der kan høres af det menneskelige øre. Med SiC-enheden kan ved at øge omstillingsfrekvensen til 40 kHz, den frekvens, der genereres af systemet, overstige det frekvensområde, der kan høres af det menneskelige øre. Samtidig øges omstillingsfrekvensen for at reducere de nuværende styresignaler, hvilket reducerer elektromagnetisk støj og forbedrer køretøjets køreoplevelse.
Men den nuværende brug af SiC-enheder præsenterer også store udfordringer.
SiC-enheder er dyrere
Da den nuværende SiC-chipproces ikke er så moden som Si, hovedsagelig til 4-tommers wafers, er materialets udnyttelsesgrad ikke høj, og Si-chipwaferen er blevet udviklet til 8 tommer eller endda 12 tommer. På den anden side er efterspørgslen efter SiC-chips på markedet endnu ikke steget, og på den anden side er omkostningerne ved SiC-chips forholdsvis høje.
SiC-enhedens emballage teknologiudvikling ligger bag
På nuværende tidspunkt har mange leverandører af mainstream-strømforsyninger i verden forsket og udviklet SiC-chips, men derimod ligger udviklingen af emballageteknologi til SiC-enheder bagud. Sammenlignet med Si-chip har SiC-chip højere temperaturbestandighed, og dens driftstemperatur kan overstige 200 grader. Imidlertid er forseglingsteknologien, der anvendes i SiC-modul, stadig designet med Si-modul, og dets pålidelighed og liv kan ikke opfylde 200 grader. Jobkrav. Ansøgningsbetingelserne for SiC-chip er begrænsede.
Drevbeskyttelsesteknologi
Sammenlignet med Si-chippen reduceres kortslutningsmodstanden af SiC-chip kraftigt. For at forhindre kortslutningsfejl i SiC-enheden under drift, skal drevkredsløbet have en lavere responstid, som foreslås til beskyttelsesteknologien i SiC-enhedens kredsløb. En stor udfordring.
Termisk design
Da området med en enkelt SiC-chip er lille, er det nødvendigt at bruge flere chips parallelt for at opnå høj effekt. Hvordan man laver et rimeligt layoutdesign af chippen inde i modulet for at sikre den termiske balance mellem chipsene og overvåge chipets hot spot temperatur er en stor udfordring.
EMI og isoleringsproblemer forårsaget af høj omskiftningshastighed
Sammenlignet med Si-enheder, kan omskiftningshastigheden af SiC-enheder forbedres betydeligt, og di / dt og dv / dt i omstillingsprocessen forbedres, selv om dette medvirker til at reducere apparatets omkoblingstab, men på den anden side vil producere alvorlige EMI problemer, hvordan man korrekt konstruerer kontrol kredsløb og filter kredsløb for at undertrykke EMI er også et vigtigt spørgsmål. Samtidig påvirker høj dv / dt isoleringen af motorvindingerne, hvilket kan accelerere aldring af de isolerende dele som den emaljerede ledning og isoleringsringen, hvilket medfører nye udfordringer for motorens isolationsdesign.
for at opsummere
Selv om den nuværende SiC-enhedsproces ikke er så moden som Si, er udviklingen af SiC-pakken relativt langsom, og prisen på enheden er flere gange højere end Si-pakken. Men med modenhedsteknologi og den stigende efterspørgsel efter SiC-enheder på markedet vil disse ulemper gradvist blive udjævnet, og SiC-enheder er iboende høje modstandsspænding, høj switchfrekvens, lavt tab og så videre. Fordelene bestemmer også, at det kan bruges mere og mere som et meget konkurrencedygtigt materiale i fremtiden.
