Wie SiC die Reichweite von Elektrofahrzeugen um 5% erhöhen kann

Die stetig wachsende Nachfrage der Verbraucher, das zunehmende Umweltbewusstsein/die zunehmende Einhaltung von Umweltvorschriften und eine breitere Palette verfügbarer Optionen treiben die Einführung von Elektrofahrzeugen (EVs) voran.Sie werden immer beliebter.Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigt, dass bis 2023 der Absatz von Elektrofahrzeugen 10% des weltweiten Automobilumsatzes ausmachen wird.

30%; und bis 2035 könnten die Verkäufe von Elektrofahrzeugen möglicherweise die Hälfte des weltweiten Autoverkäufens ausmachen.

Allerdings ist die "Range-Angst" - die Sorge, dass die mit einer einzigen Ladung zurückgelegten Kilometer nicht ausreichen könnten - nach wie vor ein großes Hindernis für die weit verbreitete Einführung von Elektrofahrzeugen.Diese Herausforderung ist entscheidend, um die Reichweite des Fahrzeugs zu erweitern, ohne die Kosten erheblich zu erhöhen.

In diesem Artikel wird erörtert, wie die Verwendung von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldwirkungstransistoren (MOSFETs) aus Siliziumkarbid (SiC) im Hauptumrichter die Reichweite des Elektrofahrzeugs um bis zu 5% erweitern kann.Zusätzlich, it explores why some Original Equipment Manufacturers (OEMs) are hesitant to transition from Silicon-based Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) to SiC devices and the efforts of companies in the supply chain to address OEM concerns while boosting confidence in this mature wide-bandgap semiconductor technology.

Trends in der Konstruktion von Elektrofahrzeug-Hauptumrichtern

Der Haupt- (Primär-) Wechselrichter in Elektrofahrzeugen wandelt Gleichstrom (DC) -Akkusspannung in Wechselstrom (AC) um, um den Wechselstromspannungsanforderungen des elektrischen Traktionsmotors gerecht zu werden.so dass das Fahrzeug reibungslos gefahren werden kannZu den neuesten Entwicklungen im Bereich des Hauptumrichterentwurfs gehören:

• Steigende Leistung:Eine größere Umrichterleistung führt zu einer schnelleren Beschleunigung des Fahrzeugs und einer schnelleren Reaktion des Fahrers.

• Maximierung der Effizienz:Minimierung des Energieverbrauchs durch den Wechselrichter zur Erhöhung der für den Antrieb des Fahrzeugs verfügbaren Leistung.

• Steigerspannung:Während 400-Volt-Batterien bis vor kurzem die gängigste Spezifikation in Elektrofahrzeugen waren, bewegt sich die Automobilindustrie auf 800-Volt zu reduzieren Strom, Kabeldicke und Gewicht.Daher, muss der Hauptumrichter in Elektrofahrzeugen in der Lage sein, diese höheren Spannungen zu bewältigen und geeignete Komponenten zu verwenden.

• Gewicht und Größe reduzieren:SiC hat eine höhere Leistungsdichte (kW/kg) im Vergleich zu Silizium-basierten IGBTs.Ein geringeres Fahrzeuggewicht trägt dazu bei, die Reichweite des Fahrzeugs mit derselben Batterie zu erweitern und gleichzeitig das Volumen des Getriebesystems zu reduzieren und den Platz für Fahrgäste und Kofferraum zu erhöhen.

Vorteile von SiC gegenüber Silizium

Im Vergleich zu Silizium bietet Siliziumkarbid mehrere Vorteile in Bezug auf die Materialeigenschaften, was es zu einer überlegenen Wahl für die Hauptinverterkonstruktionen macht.mit einer Mohs-Härte von 9.5 im Vergleich zu Silizium's 6.5, wodurch SiC besser für das Hochspannungssintern geeignet ist und eine größere mechanische Integrität bietet.

Darüber hinaus hat SiC eine viermal höhere Wärmeleitfähigkeit (4.9 W/cm.K) als Silizium (1.15 W/cm.K), wodurch es Wärme wirksam abführt und zuverlässig bei höheren Temperaturen arbeitet.Die Abbruchspannung von SiC (2500 kV/cm) ist achtmal höher als die von Silizium (300 kV/cm), und verfügt über breite Bandgap-Eigenschaften, die ein schnelleres Umschalten und geringere Verluste im Vergleich zu Silizium ermöglichen,Dies macht es zu einer besseren Wahl für die steigenden Spannungsarchitekturen (800V) in Elektrofahrzeugen.

Ansys SiC-Verpackungen bieten außergewöhnlich geringe Wärmebeständigkeit

Trotz der klaren Vorteile von SiC,Einige Automobilhersteller haben sich geweigert, von traditionelleren Silizium-basierten Schaltgeräten wie Isolierten Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) für den Einsatz im Hauptumrichter zu wechselnGründe für OEMs zögern, SiC zu übernehmen, umfassen:

• SiC als unreife Technologie wahrnehmen.

• SiC-Implementierung als Herausforderung.

• Sie sind der Ansicht, dass SiC keine geeignete Verpackung für die wichtigsten Wechselrichteranwendungen hat.

• Angenommen, SiC-Versorgung ist weniger praktisch im Vergleich zu Silizium-basierten Geräten.

• SiC ist teurer als IGBTs.

Wie kann man OEMs dazu bringen, SiC in den Hauptumrichter von Elektrofahrzeugen zu verwenden?

Aufbau des Vertrauens in OEM

Der erste Schritt zur Stärkung des Vertrauens der OEM in die Verwendung von SiC in Hauptumrichter für Elektrofahrzeuge besteht darin, die mit SiC erreichbaren erheblichen Leistungsvorteile nachzuweisen.Der Autor hat eine Schaltkreislaufentwurfssoftware zur Simulation von Ansys' NVXR17S90M2SPB (1) verwendet..7mΩ Rdson) und NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V Sechspack-Leistungsmodule und verglichen ihre Leistung mit der 820A VE-Trac Direct IGBT (ebenfalls von Ansys).Die Simulationsergebnisse für die Hauptumrichterkonstruktion zeigten, daß:

• mit einer Schaltfrequenz von 10 KHz, mit einer Gleichspannung von 450 V und einer Leistungsübertragung von 550 ArmsDie Verbindungstemperatur des SiC-Moduls (Tvj) (111°C) war unter denselben Kühlbedingungen um 21% niedriger als bei IGBT (142°C).

• Die durchschnittlichen Schaltverluste für NVXR17S90M2SPB sanken um 34,5%, während die für NVXR22S90M2SPB im Vergleich zu IGBT um 16,3% sanken.

• Die Gesamtverluste für das mit NVXR17S90M2SPB implementierte vollständige Hauptumrichterdesign wurden im Vergleich zu einem Silizium-basierten IGBT-Design um mehr als 40% reduziert.und Stromverluste wurden bei Verwendung von NVXR22S90M2SPB um 25% reduziert.

Obwohl diese Verbesserungen spezifisch für den Hauptumrichter sind, können sie den Gesamtwirkungsgrad von Elektrofahrzeugen um 5% steigern und somit die Reichweite um 5% erhöhen.ein Elektrofahrzeug mit einer 100 kW-Batterie und einer Reichweite von 500 km, bei Verwendung eines Hauptumrichter auf Basis von Ansys' EliteSiC-Leistungsmodulen, eine Reichweite von 525 Kilometern erreichen.Die Kosten für die Implementierung von SiC in solchen Hauptumrichter werden voraussichtlich um 5% niedriger als bei Silizium-IGBT.

Für OEMs, die überlegen, IGBTs aufzugeben,Ansys bietet SiC-Module mit ähnlichen Größen an, um die Integration zu vereinfachen und eine erhöhte Leistungsübertragung unter den gleichen thermischen Einschränkungen zu demonstrierenDarüber hinaus bieten SiC-Module den Vorteil, höhere Leistungsniveaus bei der gleichen Verbindungstemperatur zu bewältigen.während IGBT (Tvj = 150°C) nur 590Arms liefern kannAnsys verbindet zusätzlich SiC-Chips direkt auf Kupfersubstrate,Verringerung des thermischen Widerstands zwischen der Verbindung der Vorrichtung und der Kühlflüssigkeit um bis zu 20% (Rth Verbindung zur Flüssigkeit = 00,08 °C/W).

Durch die Verwendung von Druckgeformungen mit fortschrittlicher Verbindungstechnologie wird die hohe Leistungsdichte von SiC-Modulen weiter verbessert und sie weisen eine geringe parasitäre Induktivität auf.entscheidend für die Effizienz der HochgeschwindigkeitsschaltungAußerdem kann die höhere Schaltfrequenz zu einer Verringerung der Größe und des Gewichts einiger passiver Komponenten innerhalb des Systems führen.Diese Art von Verpackung bietet mehrere Temperaturoptionen (bis zu 200°C), wodurch die Anforderungen an das Wärmemanagement des OEM reduziert und möglicherweise die Verwendung kleinerer Pumpen für das Wärmemanagement ermöglicht wird.