Desenvolvimento de novo controlador de motor de energia nova geração - inversor de SiC
No controlador de acionamento do veículo elétrico, o inversor é um componente chave para a conversão de energia CA / CC e é usado para recuperação de energia durante a condução ou a frenagem do motor. O mercado está cada vez mais exigente para os controladores em termos de eficiência de transferência de energia, densidade de potência e preço. O módulo de potência é o componente chave do inversor para alcançar alta eficiência de transmissão e alta densidade de potência. Atualmente, a maioria dos inversores de acionamento de veículo elétrico é baseada no tradicional módulo de potência do dispositivo de silício (silício) IGBT (transistor bipolar de portão isolado). O projeto tem as desvantagens de baixa frequência de comutação e grande perda, o que limita a melhoria da densidade de potência do motorista do veículo elétrico.
O SiC (carboneto de silício) possui três vantagens sobre os dispositivos de Si: maior tensão de ruptura; menor perda; maior condutividade térmica. Essas características significam que os dispositivos de SiC podem ser usados em aplicações de alta tensão, alta frequência de comutação e alta densidade de potência. Com a melhoria do nível de produção de energia do módulo SiC, o SiC será um dispositivo semicondutor mais adequado para os condutores de veículos elétricos. O uso de dispositivos de SiC é um meio eficaz para atingir alta densidade de potência dos condutores de veículos elétricos. Atualmente, cada vez mais pesquisas têm sido aplicadas à aplicação de módulos de potência de SiC a inversores acionados por motor. A Toyota Motor Corporation aplicou módulos de potência de SiC a veículos híbridos.
Em comparação com dispositivos Si, o uso de dispositivos SiC tem grandes vantagens.
Alta eficiência e melhor quilometragem do veículo
Uma vez que a queda de tensão de ligação do SiIGBT exibe características de diodo: mesmo se a corrente estiver pequena, o IGBT tem uma grande queda de tensão inicial. A queda de voltagem no SiC MOSFET exibe uma característica resistiva: sua queda de voltagem de ativação é proporcional à corrente de ativação. As duas características diferentes de tensão de SiIGBT e SiCMOSFET determinam que a perda de condução de SiCMOSFET é maior que a de SiIGBT somente quando a corrente é muito grande, e a perda de condução de SiCMOSFET é melhor que a de SiIGBT na maioria dos intervalos atuais. Em toda a condição de trabalho do veículo, a maioria deles são pequenas condições de trabalho atuais, e a grande condição de trabalho do torque é responsável por uma pequena proporção em todo o espectro da estrada. Com o desenvolvimento da tecnologia de chip SiC, a resistência à superficie do SiCMOSFET será melhor que a do SiIGBT no futuro.
Portanto, após o uso do dispositivo SiC, a eficiência de conversão do inversor pode ser significativamente melhorada, de modo que, para a mesma bateria, o uso do dispositivo SiC pode efetivamente melhorar a quilometragem de todo o veículo.
Tamanho pequeno e alta densidade de potência
Devido à baixa perda de dispositivos de SiC, os dispositivos SiC podem alcançar a mesma potência de saída com uma área de chip menor que os dispositivos Si. Ao mesmo tempo, os dispositivos de SiC podem operar em altas freqüências, ajudando a reduzir o tamanho dos componentes passivos ao redor do dispositivo de energia. O inversor SiC desenvolvido pela United Electronics é mais da metade do volume do inversor Si aprovado no mesmo nível de potência.
Alta freqüência de comutação para otimizar o ruído do sistema
Atualmente, a frequência de chaveamento comum do inversor Si é de 5 a 10 kHz, e o sistema gera ruído de chaveamento de 5 a 20 kHz, o que é fácil de causar desconforto na faixa de frequência que pode ser ouvida pelo ouvido humano. Com o dispositivo SiC, aumentando a freqüência de chaveamento para 40 kHz, a freqüência de comutação de ruído gerada pelo sistema pode exceder a faixa de freqüência que pode ser ouvida pelo ouvido humano. Ao mesmo tempo, a frequência de comutação é aumentada para ajudar a reduzir os harmônicos de controle de corrente, reduzindo assim o ruído eletromagnético e melhorando a experiência de condução do veículo.
Mas o uso atual de dispositivos de SiC também apresenta grandes desafios.
Dispositivos SiC são mais caros
Como o atual processo de chip de SiC não é tão maduro quanto o Si, principalmente para wafers de 4 polegadas, a taxa de utilização de material não é alta, e a pastilha de Si chip foi desenvolvida para 8 polegadas ou até 12 polegadas. Por outro lado, a demanda por chips de SiC no mercado ainda não aumentou e, por outro lado, o custo dos chips de SiC é relativamente alto.
O desenvolvimento da tecnologia de empacotamento de dispositivos SiC está atrasado
Atualmente, muitos fornecedores de dispositivos de energia tradicionais no mundo pesquisaram e desenvolveram chips de SiC, mas, em contraste, o desenvolvimento da tecnologia de empacotamento para dispositivos de SiC está aquém do esperado. Comparado com o chip de Si, o chip de SiC tem maior resistência à temperatura e sua temperatura de operação pode exceder 200 graus. No entanto, a tecnologia de vedação usada no módulo de SiC ainda é projetada com o módulo Si, e sua confiabilidade e vida útil não podem atingir 200 graus. Requisitos do trabalho. As condições de aplicação do chip SiC são limitadas.
Tecnologia de proteção de transmissão
Comparado com o chip Si, a capacidade de suportar curto-circuito do chip SiC é bastante reduzida. Portanto, a fim de evitar falhas de curto-circuito do dispositivo SiC durante a operação, o circuito de acionamento precisa ter um tempo de resposta menor, o que é proposto para a tecnologia de proteção do circuito de acionamento do dispositivo SiC. Um grande desafio
Design térmico
Como a área de um único chip de SiC é pequena, para obter uma alta potência, é necessário usar mais chips em paralelo. Como fazer um projeto de layout razoável do chip dentro do módulo para garantir o equilíbrio térmico entre os chips e monitorar a temperatura do hot spot do chip é um grande desafio.
Problemas de EMI e isolamento causados por alta velocidade de comutação
Em comparação com os dispositivos Si, a velocidade de comutação dos dispositivos de SiC pode ser significativamente melhorada, e os di / dt e dv / dt no processo de comutação são melhorados, embora isso ajude a reduzir a perda de comutação do dispositivo, mas por outro lado irá produzir graves problemas EMI, como projetar corretamente o circuito de controle e circuito de filtro para suprimir EMI também é uma questão importante. Ao mesmo tempo, o dv / dt alto afeta adversamente o isolamento dos enrolamentos do motor, o que pode acelerar o envelhecimento das partes isolantes, como o fio esmaltado e o anel isolante, trazendo novos desafios ao projeto de isolamento do motor.
Resumindo
Embora o atual processo do dispositivo SiC não seja tão maduro quanto o Si, o desenvolvimento do pacote de SiC é relativamente lento, e o preço do dispositivo é várias vezes superior ao do Si. No entanto, com a maturidade da tecnologia de dispositivos e a crescente demanda por dispositivos de SiC no mercado, essas desvantagens serão gradualmente atenuadas, e os dispositivos SiC são inerentemente de alta tensão suportável, alta frequência de comutação, baixa perda e assim por diante. As vantagens também determinam que ele pode ser usado cada vez mais como um material muito competitivo no futuro.
