Что такое технология производства карбида кремния?
Карбид кремния (SiC) — это инновационная технология, которая заменит кремний во многих областях применения. Идея использования SiC для электромобили (EV) родилась, когда были предприняты усилия по повышению эффективности и дальность действия таких транспортных средств, одновременно снижая вес и стоимость всего транспортного средства и, таким образом, увеличивая удельную мощность управляющей электроники.
Силовая электроника для электромобилей может быть эффективно усовершенствована с помощью решений из карбида кремния, которые соответствуют конструктивным параметрам и вносят существенный вклад в производительность системы и долгосрочную надежность.
Преимущества SiC
Устройства из карбида кремния (SiC) все чаще используются в высоковольтных силовых преобразователях со строгими требованиями к размерам, весу и эффективности, поскольку они обладают рядом привлекательных характеристик по сравнению с широко используемым кремнием (Si). Сопротивление во включенном состоянии и потери при переключении значительно ниже, а SiC обеспечивает примерно в 3 раза большую теплопроводность, чем кремний, что позволяет быстрее отводить тепло от компонентов. Это важно, потому что, когда устройства на основе кремния становятся меньше по площади, становится труднее отводить тепло, выделяемое в процессе электрического преобразования, а SiC лучше рассеивает тепло.
Многие производители объявили об инвестициях в электромобили на миллиарды долларов, которые также значительны из-за ограничений на совместное использование2 выбросы. Ключевые шаги будут предприняты в ближайшие годы, и мы увидим более высокий процент электромобилей на дорогах.
Это потребует улучшения таких факторов, как доступность по цене, нормативные акты и технический прогресс. По оценкам, электромобиль эффективен на 60% при преобразовании энергии аккумулятора с помощью электродвигателей. По сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания это уже большое достижение.
Однако повышение эффективности занимает одно из первых мест в списке приоритетов инженеров просто потому, что это напрямую приводит к увеличению дальности полета и / или аккумуляторам меньшего размера и, следовательно, к снижению затрат — двум факторам, по которым большинство электромобилей пока не могут конкурировать с обычными автомобилями.
Одной из отличительных особенностей этих автомобилей является количество высоковольтных систем, которые они содержат. Напряжение высоковольтной батареи колеблется от 400 до 800 В, при этом ряд других электрических систем питает эту батарею по-разному. Эти системы включают в себя бортовое зарядное устройство (OBC), преобразователь постоянного тока, который служит мостом к вспомогательным устройствам напряжением 12 В, тяговые инверторы и саму систему управления аккумуляторами (BMS).
Питание электромобилей
Электромобили — это полностью электрические автомобили, которым требуется как минимум три типа электронных блоков для преобразования энергии: преобразователь постоянного тока, обычно от высокого напряжения до 12 В для питания низковольтной электроники. Тяговый инвертор постоянного/переменного тока для приведения в действие электродвигателей, обычно трехфазных, которые подают питание на колеса. Преобразователи переменного/ постоянного тока для подзарядки автомобильных аккумуляторов как во время рекуперации энергии при торможении, так и от стандартных бытовых или мощных зарядных станций (для быстрой зарядки)
Чтобы получить максимальную автономность от емкости аккумулятора, необходимо, чтобы вся цепочка преобразования достигла максимально возможной эффективности. Технология реализации силовых устройств — диоды и МОП—транзисторы — с требуемой эффективностью уже определены и называются карбидокремниевыми, уже некоторое время используются в диодах Шоттки, в то время как в последнее время МОП-транзисторы, переключающие элементы, которые являются сердцем преобразователей и инверторов, набирают объемы производства.
Тяговый инвертор питает двигатель и является наиболее важным, поскольку он определяет, как долго транспортные средства смогут работать до тех пор, пока им не потребуется подзарядка. Кроме того, OBC подзаряжает аккумулятор: чем больше энергии мы сможем вложить в аккумулятор, тем быстрее будет происходить зарядка.
“В электромобилях на базе 800 В использование нашей технологии карбида кремния первого поколения увеличивает дальность действия на 7% по сравнению с нашими лучшими в своем классе кремниевыми IGBT”, — сказал Марк Мюнцер, вице–президент Infineon по инновациям и новым технологиям автомобильной высокой мощности. “С нашим CoolSiC следующего поколения мы увеличим этот показатель примерно до 10%”. Тем не менее, Мюнцер прогнозирует, что SiC и Si будут сосуществовать на рынке электромобилей в будущем, поскольку SiC имеет значительно более высокие затраты, вызванные главным образом дорогим сырьем.
“Преимущества карбида кремния особенно очевидны, когда автомобиль работает с частичной нагрузкой”, — сказал он. “Давайте рассмотрим, например, автомобиль с одним электродвигателем на каждую ось. Один используется для работы в среднем режиме; другой добавляется только тогда, когда требуется пиковая мощность во время ускорения. Если это автомобиль с пиковой мощностью 200 кВт, то средняя загрузка первого инвертора составляет где-то около 20 кВт, что очень очевидно при частичной нагрузке. Здесь карбид кремния может иметь смысл, поскольку повышение эффективности позволяет использовать батарею меньшего размера, и, следовательно, я могу компенсировать более высокую стоимость карбида кремния в инверторе снижением стоимости батареи. Второй инвертор активен лишь в течение небольшой части времени и в основном при нагрузках, где карбид кремния не столь выгоден. Здесь производитель, скорее всего, выбрал бы экономически эффективное кремниевое решение”.
Аккумуляторы EV и бортовое зарядное устройствоs
Аккумулятор является фундаментальной, ключевой особенностью электромобилей, и обеспечение эффективного управления зарядом является основополагающим элементом для правильной работы электромобиля.
Аккумуляторы должны обладать очень высокой плотностью накопления энергии, током саморазряда, близким к нулю, и способностью заряжаться за минуты, а не за часы. BMSS обычно включают в себя четыре основные группы схем: OBC, BMS, преобразователь постоянного тока, главный инвертор.
Блоки питания зарядного устройства состоят из передней части переменного/постоянного тока, за которой следует разъем постоянного/пост. тока преобразователь для подачи напряжения заряда на аккумулятор. Секция переменного/постоянного тока преобразует напряжение питания от сети в полезное постоянное напряжение, избегая пульсаций. Преобразователь постоянного тока обеспечивает электрическую изоляцию от шасси автомобиля по соображениям безопасности, одновременно обеспечивая транспортное средство необходимым зарядным напряжением постоянного тока.
Структурная схема типичного двунаправленного OBC состоит из каскада коррекции коэффициента мощности на тотемном полюсе (PFC) (два идентичных устройства, работающих параллельно), за которым следует преобразователь постоянного тока (резонансный резервуар LLC). Выходное напряжение может быть отфильтровано до конечного напряжения постоянного тока с помощью синхронизирующих полевых транзисторов (FET) под управлением драйверов изолированных затворов.
SiC в зарядных устройствах для электромобилей
За счет замены конструкций на основе кремния с использованием IGBT или MOSFET в блоке переменного / постоянного тока зарядного устройства устройствами SiC упрощается схема, в то время как удельная мощность и, следовательно, эффективность значительно повышаются, что позволяет уменьшить количество деталей, а также размер, вес и стоимость системы. Блок SiC также может обеспечить двунаправленность, необходимую для того, чтобы автомобильная батарея стала частью интеллектуальной сети.
В чем преимущества карбида кремния для электромобилей?
- Меньшие потери (что означает меньший размер)
- Более высокая частота (пассивные компоненты меньшего размера)
- Более высокая эффективность (более простое и компактное охлаждение).
OBC — это интегрированная система автомобиля для зарядки высоковольтного аккумулятора от сети переменного тока во время стоянки автомобиля. Тенденция к быстрой зарядке также влияет на диапазон мощности, требуемый топологиями OBC, поэтому новые конструкции, как правило, достигают 11 кВт или даже 22 кВт. Эта разработка в сочетании со спросом на высокую эффективность и низкую стоимость системы при удельной мощности является мощным стимулом для использования трехфазных решений. Сегодня, как правило, существует однонаправленный поток энергии от сети к аккумулятору, но существует также двустороннее использование, например, для зарядки аккумулятора или для подключения аккумулятора к сети.
“OBC — еще один хороший пример того, как Si и SiC будут сосуществовать в будущем”, — сказал Мюнцер. “Для каскада постоянного тока в системе OBC напряжением 400 В МОП-транзисторы с суперпереходом на основе Si, такие как CoolMOS от Infineon, могут поддерживать требуемые частоты переключения. В соседнем однонаправленном каскаде PFC комбинация SiC-диодов и быстропереключаемых IGBT обеспечивает достаточную производительность при конкурентоспособных затратах. Недавно мы даже объединили быстропереключаемый IGBT и диод из карбида кремния в одном корпусе (EcoPack). Если производитель увеличивает целевые показатели эффективности или повышается уровень напряжения, SiC-МОП-транзисторы становятся предпочтительным устройством для OBC.”
После покупки Siltectra Infineon работает над внедрением разработанной стартапом технологии холодного расщепления карбида кремния в промышленный процесс. При холодном расщеплении кристаллический материал обрабатывается эффективно и с минимальными потерями материала.
Траншея против Плоская технология
Что касается концепции устройства, Мюнцер продолжил: “Большинство технологий силовых полупроводников, будь то кремниевые МОП-транзисторы или IGBT, начинались с конструкций с плоскими ячейками, но в конечном итоге перешли к конструкциям с траншейными ячейками. Это связано с тем, что конструкция траншей позволяет повысить производительность и / или надежность устройства. С другой стороны, они требуют сложного технологического ноу-хау, но, имея более чем 25-летний опыт в траншейных технологиях, мы решили с самого начала пойти по этому пути и с карбидом кремния”.
В планарной технологии поток тока должен менять направление и требует пространства, чтобы избежать скученности. Его важнейшим параметром является длина канала в боковом направлении. В противном случае, при траншейной технологии ток течет непосредственно вертикально, и критическим элементом является длина его канала в вертикальном направлении. Траншейная технология обеспечивает низкую плотность дефектов и приводит к низкому сопротивлению канала и низкому сопротивлению включению, сохраняемому при оксидном поле ниже 3 МВ/см.
Вывод
По сравнению с обычными устройствами на основе кремния SiC обладает существенными преимуществами в автомобильной промышленности: повышенная удельная мощность, более высокая эффективность системы, расширение диапазона, более низкая стоимость системы и долгосрочная надежность. SiC уже находится внутри автомобиля, но мы только начали.
Автономность электромобиля напрямую отражает эффективность его силового агрегата и системы управления энергопотреблением. Кроме того, от необходимой инфраструктуры, такой как мощные системы быстрой зарядки, которые в настоящее время достигают мощности в несколько сотен киловатт, аналогичным образом требуют соблюдения строго определенных ограничений по размерам и эффективности. Благодаря своим специфическим физическим свойствам SiC является ценным ответом на эти новые требования рынка.
Статьи по теме:
Свежие комментарии