Come il SiC può estendere l'autonomia dei veicoli elettrici del 5%

La domanda in continua crescita dei consumatori, la crescente consapevolezza ambientale/regolamentazione ambientale e una gamma più ampia di opzioni disponibili stanno guidando l'adozione di veicoli elettrici (EV),rendendoli sempre più popolariUn recente studio indica che, entro il 2023, le vendite di veicoli elettrici rappresenteranno il 10% delle vendite mondiali di automobili; entro il 2030 tale cifra dovrebbe aumentare a

30%; e entro il 2035, le vendite di veicoli elettrici potrebbero rappresentare potenzialmente la metà delle vendite mondiali di automobili.

Tuttavia, l'"ansia per il raggio", la preoccupazione che il chilometraggio percorso con una sola ricarica possa non essere sufficiente, rimane un ostacolo significativo all'adozione diffusa dei veicoli elettrici.Superare questa sfida è fondamentale per estendere l'autonomia del veicolo senza aumentare significativamente i costi.

Questo articolo illustra come l'utilizzo di transistor a effetto campo a metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) in carburo di silicio (SiC) nell'inverter principale possa estendere l'autonomia del veicolo elettrico fino al 5%.In aggiunta, 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.

Tendenze nella progettazione degli inverter principali per veicoli elettrici

L'inverter principale (primario) dei veicoli elettrici converte la tensione della batteria a corrente continua (DC) in tensione di corrente alternata (AC) per soddisfare i requisiti di tensione AC del motore di trazione elettrico,che consente di guidare il veicolo senza intoppiLe ultime tendenze nella progettazione degli inverter principali includono:

• Aumento della potenza:Una maggiore potenza di uscita dell'inverter porta ad una più rapida accelerazione del veicolo e a una risposta più rapida per il conducente.

• Massimizzare l' efficienza:Minimizzare la quantità di energia consumata dall'inverter per aumentare la potenza disponibile per guidare il veicolo.

• Aumentare la tensione:Mentre le batterie a 400 V sono state fino a poco tempo fa la specifica più comune nei veicoli elettrici, l'industria automobilistica si sta muovendo verso gli 800 V per ridurre la corrente, lo spessore dei cavi e il peso.Pertanto,, l'inverter principale dei veicoli elettrici deve essere in grado di gestire queste tensioni più elevate e utilizzare componenti adeguati.

• Ridurre peso e dimensioni:SiC ha una densità di potenza più elevata (kW/kg) rispetto agli IGBT a base di silicio.Il minor peso del veicolo contribuisce ad estendere l'autonomia del veicolo utilizzando la stessa batteria riducendo al contempo il volume del sistema di trasmissione e aumentando lo spazio per passeggeri e bagagliaio.

Vantaggi del SiC rispetto al silicio

Rispetto al silicio, il carburo di silicio offre diversi vantaggi in termini di proprietà del materiale, rendendolo una scelta superiore per i principali progetti di inverter.con una durezza di Mohs di 9.5 rispetto ai 6 del silicio.5, rendendo il SiC più adatto alla sinterizzazione ad alta tensione e fornendo una maggiore integrità meccanica.

Inoltre, il SiC ha una conduttività termica (4,9 W/cm.K) quattro volte superiore a quella del silicio (1,15 W/cm.K), che gli consente di dissipare efficacemente il calore e di operare in modo affidabile a temperature più elevate.La tensione di rottura del SiC (2500kV/cm) è otto volte superiore a quella del silicio (300kV/cm), e possiede proprietà di banda larga, che consentono una commutazione più rapida e perdite minori rispetto al silicio,rendendolo una scelta migliore per le architetture a crescente tensione (800V) nei veicoli elettrici.

Ansys SiC Packaging offre eccezionale bassa resistenza termica

Nonostante i chiari vantaggi di SiC,alcuni OEM automobilistici sono stati riluttanti a passare da dispositivi di commutazione più tradizionali a base di silicio come i transistor bipolari a cancello isolato (IGBT) per l'uso nell'inverter principaleLe ragioni per cui gli OEM esitano ad adottare il SiC sono:

• Percependo la SiC come una tecnologia immatura.

• Trovare l'implementazione di SiC difficile.

• Ritiene che il SiC non abbia un imballaggio adatto per le principali applicazioni degli inverter.

• Supponendo che l'approvvigionamento di SiC sia meno conveniente rispetto ai dispositivi a base di silicio.

• Pensando che il SiC sia piu' costoso degli IGBT.

Quindi, come si può far sì che gli OEM siano più sicuri di usare il SiC negli inverter principali dei veicoli elettrici?

Aumentare la fiducia degli OEM

Il primo passo per aumentare la fiducia degli OEM nell'uso del SiC negli inverter principali dei veicoli elettrici è dimostrare i significativi vantaggi prestazionali raggiungibili con il SiC.L'autore ha utilizzato un software di progettazione di circuiti per simulare il NVXR17S90M2SPB di Ansys (1.7mΩ Rdson) e NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V moduli di potenza a sei pacchetti e ha confrontato le loro prestazioni con l'820A VE-Trac Direct IGBT (anche da Ansys).I risultati della simulazione per la progettazione dell'inverter principale hanno mostrato che:

• con una frequenza di commutazione di 10KHz, con una tensione del bus di 450V DC e una trasmissione di potenza di 550Arms,La temperatura di giunzione del modulo SiC (Tvj) (111°C) era inferiore del 21% a quella dell'IGBT (142°C) nelle stesse condizioni di raffreddamento.

• Le perdite medie di commutazione per NVXR17S90M2SPB sono diminuite del 34,5%, mentre quelle per NVXR22S90M2SPB sono diminuite del 16,3% rispetto all'IGBT.

• Le perdite complessive per la progettazione completa dell'inverter principale implementata con NVXR17S90M2SPB sono state ridotte di oltre il 40% rispetto a una progettazione IGBT a base di silicio,e le perdite di potenza sono state ridotte del 25% quando si utilizza NVXR22S90M2SPB.

Sebbene questi miglioramenti siano specifici per l'inverter principale, possono migliorare l'efficienza complessiva dei veicoli elettrici del 5%, con conseguente estensione dell'autonomia del 5%.un veicolo elettrico dotato di una batteria da 100 kW e una autonomia di 500 chilometri, quando si utilizza un inverter principale basato sui moduli di alimentazione EliteSiC di Ansys, potrebbe raggiungere un'autonomia di 525 chilometri.il costo di implementazione del SiC in tali inverter principali dovrebbe essere inferiore del 5% rispetto agli IGBT in silicio.

Inoltre, per gli OEM che intendono abbandonare gli IGBT,Ansys offre moduli SiC di dimensioni simili per semplificare l'integrazione e dimostrare una maggiore trasmissione di potenza con gli stessi vincoli termiciInoltre, i moduli SiC offrono il vantaggio di gestire livelli di potenza più elevati alla stessa temperatura di giunzione.mentre IGBT (Tvj = 150°C) può fornire solo 590ArmsInoltre, Ansys lega i chip SiC direttamente su substrati di rame,riducendo la resistenza termica tra la giunzione del dispositivo e il fluido di raffreddamento fino al 20% (Rth giunzione al fluido = 00,08°C/W).

L'utilizzo di pacchetti stampati a pressione con tecnologia avanzata di interconnessione migliora ulteriormente l'elevata densità di potenza dei moduli SiC e presentano una bassa induttanza parassitaria,cruciale per l'efficienza della commutazione ad alta velocitàInoltre, la maggiore frequenza di commutazione può portare a una riduzione delle dimensioni e del peso di alcuni componenti passivi all'interno del sistema.questo tipo di imballaggio offre più opzioni di temperatura (fino a 200°C), riducendo i requisiti di gestione termica dell'OEM e consentendo potenzialmente l'uso di pompe più piccole per la gestione termica.