Adoptarea vehiculelor electrice (EV) este în creștere, fiind determinată de cererile tot mai mari ale consumatorilor, de preocupările/reglementările de mediu și de opțiunile disponibile. Conform unei cercetări recente realizate de Goldman Sachs, vânzările de vehicule electrice (EV) au ajuns să reprezinte 10% din vânzările globale de automobile în 2023. Până în 2030, se așteaptă ca această prognoză să crească la 30%; iar până în 2035, vânzările de EV-uri ar putea reprezenta jumătate din vânzările globale de automobile. Cu toate acestea, “anxietatea legată de autonomie”, teama de a nu putea parcurge distanța dorită între două încărcări ale bateriei, reprezintă unul dintre principalele obstacole în calea utilizării vehiculelor electrice. Iar cheia pentru a o depăși va fi extinderea autonomiei vehiculelor fără a crește semnificativ costurile.
Acest articol ilustrează modalitatea prin care utilizarea tranzistoarelor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) din carbură de siliciu (SiC) în invertorul de tracțiune poate extinde autonomia unui EV cu până la 5%. De asemenea, se discută motivul pentru care unii producători de echipamente originale (OEM) au fost reticenți în ceea ce privește tranziția de la tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (IGBT) din siliciu la dispozitivele SiC și eforturile depuse de onsemi pentru a atenua aceste preocupări și a inspira încredere în această tehnologie de semiconductori cu bandă interzisă largă în curs de maturizare.
Tendințe în materie de tracțiune auto
Invertorul (principal) de tracțiune al unui vehicul electric transformă tensiunea DC a bateriei într-o tensiune AC necesară motorului electric de tracțiune, care este responsabil pentru propulsia vehiculului. Tendințele recente în proiectarea invertorului de tracțiune includ:
- Creșterea puterii: Cu cât mai mare este puterea de ieșire a invertorului, cu atât mai repede poate accelera un vehicul pentru a răspunde cerințelor șoferului.
- Maximizarea eficienței: Cantitatea de energie consumată de invertor trebuie să fie redusă la minimum pentru a crește puterea disponibilă pentru propulsie.
- Tensiune mai mare: Până de curând, bateriile de 400V au fost cele mai frecvente, dar industria auto se îndreaptă spre 800V pentru a reduce curentul, grosimea cablurilor și greutatea. Invertorul de tracțiune dintr-un vehicul electric (EV) trebuie să fie capabil să facă față acestui nivel de tensiune mai ridicat și să utilizeze componentele potrivite.
- Greutate și dimensiuni reduse: SiC are o densitate de putere mai mare (kW/kg) în comparație cu IGBT-urile din siliciu. Densitatea de putere mai mare poate reduce dimensiunea sistemului (kW/litru), ceea ce ajută la reducerea greutății invertorului de tracțiune cu o sarcină mai mică pentru motorul electric. Greutatea mai mică a vehiculului ajută la extinderea autonomiei vehiculului cu aceeași baterie, făcând în același timp ca grupul motopropulsor să fie mai mic, ceea ce mărește spațiul disponibil pentru pasageri și sarcina utilă din portbagaj sau din compartimentul motor.
Figura 1: Tendințe recente în proiectarea invertorului de tracțiune pentru vehicule electrice. (© onsemi)
Avantajele SiC față de componentele din siliciu
Carbura de siliciu prezintă mai multe avantaje materiale față de siliciu, ceea ce o face o alegere mai bună pentru proiectele de invertoare de tracțiune. Primul avantaj constă în duritatea sa fizică – 9,5 Mohs față de 6,5 Mohs pentru siliciu – ceea ce îl face mai bun pentru sinterizarea la presiuni înalte și îi conferă o mai mare integritate mecanică. Conductivitatea sa termică (4,9 W/cm.K) este de peste patru ori mai mare decât cea a siliciului (1,15 W/cm.K), ceea ce înseamnă că poate funcționa fiabil la temperaturi mai ridicate printr-un transfer de căldură mai eficient. În sfârșit, SiC are o tensiune de rupere de 8 ori mai mare (2500kV/cm față de 300kV/cm), iar banda sa interzisă largă îi permite să se activeze și să se dezactiveze mai repede, ceea ce îl face o alegere mai bună pentru arhitecturile cu tensiune din ce în ce mai mare (800V) ale vehiculelor electrice, în timp ce tensiunea sa de bandă interzisă mai mare înseamnă că prezintă pierderi mai mici decât siliciul.
Abordarea problemelor legate de adoptarea tehnologiei SiC
În ciuda avantajelor evidente ale SiC, unii producători de echipamente originale de automobile nu s-au grăbit să renunțe la utilizarea dispozitivelor tradiționale cu comutație din siliciu, cum ar fi IGBT-urile, pentru invertoarele de tracțiune. Printre motivele reticenței față de adoptarea SiC se numără percepția că aceasta:
- nu este o tehnologie matură
- este dificil de implementat
- nu este disponibilă în ambalaje adecvate pentru tracțiune
- nu beneficiază de o aprovizionare la fel de facilă precum cea a dispozitivelor din siliciu
- este mai scumpă decât cea a IGBT-urilor
Următoarea secțiune prezintă o abordare cu mai multe fațete prin care se arată de ce aceste percepții sunt nefondate și de ce producătorii de echipamente originale ar trebui să utilizeze cu încredere tehnologia SiC într-un invertor de tracțiune pentru vehicule electrice.
Demonstrarea eficienței invertoarelor de tracțiune cu SiC
Primul pas pentru a inspira încredere este demonstrarea avantajului clar de performanță care poate fi obținut prin utilizarea tehnologiei SiC în proiectele de invertoare de tracțiune. Modulele NVXR17S90M2SPB (1,7mΩ Rdson) și NVXR22S90M2SPB (2,2mΩ Rdson) de la onsemi, EliteSiC Power 900V cu șase unități de putere au fost simulate cu ajutorul unui software de proiectare a circuitelor, iar performanța lor a fost comparată cu cea a IGBT-ului VE-Trac Direct de 820A (tot de la onsemi). Simulările pe un proiect de invertor de tracțiune au demonstrat:
- Pentru o tensiune de magistrală de 450VDC și o putere livrată de 550Arms la o frecvență de comutație de 10KHz, Tvj (temperatura de joncțiune) a modulelor SiC (111°C) a fost cu 21% mai mică decât cea a IGBT-ului (142°C) pentru aceleași condiții de răcire.
- În comparație cu IGBT-ul, pierderile medii de comutație în NVXR17S90M2SPB au fost cu 34,5% mai mici, în timp ce pierderile din NVXR22S90M2SPB au fost cu 16,3% mai mici.
- Pierderile totale au fost cu peste 40% mai mici pentru un proiect de invertor de tracțiune implementat utilizând NVXR17S90M2SPB, în timp ce a existat o reducere a pierderilor de putere de până la 25% utilizând NVXR22S90M2SPB în comparație cu un proiect bazat pe IGBT.
Deși aceste îmbunătățiri au fost specifice unui invertor de tracțiune, ele se traduc printr-un câștig de eficiență de 5% în performanța generală a vehiculului electric, permițând o extindere a autonomiei cu 5%. De exemplu, un EV cu o baterie de 100 kW care oferă o autonomie de 500 km ar putea parcurge până la 525 km bazat pe un invertor de tracțiune proiectat cu ajutorul modulelor de alimentare EliteSiC de la onsemi. Costul utilizării SiC într-un astfel de invertor de tracțiune ar fi, de asemenea, cu 5% mai mic decât în cazul utilizării IGBT-urilor din siliciu.
SiC oferă o putere mai mare decât IGBT-urile într-o amprentă similară
Pentru producătorii de echipamente originale care se gândesc să renunțe la IGBT-uri, onsemi oferă module SiC într-o amprentă mecanică similară pentru o integrare mai ușoară, ceea ce facilitează, de asemenea, implementarea fără modificări în procesul de fabricație. În plus, acestea oferă avantajul suplimentar al furnizării unei puteri mai mari la aceeași temperatură de joncțiune. De exemplu, NVXR17S90M2SPB poate furniza 760Arms, față de numai 590Arms pentru un IGBT (Tvj =150ºC), ceea ce reprezintă o creștere a puterii cu 29%. În plus, onsemi sinterizează plachetele SiC pe o placă de cupru prin lipire, permițând o rezistență termică cu până la 20% mai mică între joncțiunea dispozitivului și lichidul de răcire (Rth joncțiune la fluid = 0,08ºC/W).
Figura 2: Capsula SiC de la onsemi are o rezistență termică scăzută – lider în industrie. (© onsemi)
Capsula turnată, care utilizează o tehnologie avansată de interconectare, contribuie și mai mult la densitatea mare de putere a acestor module și oferă, de asemenea, o inductanță de dispersie scăzută (semnificativă pentru eficiența comutației de mare viteză), unde o frecvență de comutație mai mare poate reduce dimensiunea și greutatea unor componente pasive din sistem. În plus, acest tip de încapsulare, cu opțiuni de temperatură de operare de până la 200ºC, reduce cerințele de răcire ale OEM-urilor și poate utiliza dispozitive mai mici pentru managementul termic.
Trecerea la SiC are sens dincolo de invertorul de tracțiune
Pe măsură ce tensiunile bateriilor EV cresc, curenții electrici pot fi reduși pentru a obține aceeași putere de ieșire. La nivel de sistem, cablurile din automobile devin mai subțiri. Trecerea la SiC va deveni din ce în ce mai logică, deoarece dispozitivele SiC produc mai puțină căldură decât siliciul, permițând niveluri și mai ridicate de densitate de putere, nu doar în invertoarele de tracțiune, ci în întreaga arhitectură a EV-ului.
onsemi răspunde preocupărilor de aprovizionare ale OEM-urilor
onsemi a investit masiv în crearea unui lanț de aprovizionare și a unui ecosistem SiC complet integrat și matur (inclusiv creștere epitaxială a plachetelor și fabricație pe 150 mm (200 mm planificată)) de produse discrete, circuite integrate, module și proiecte de aplicații de referință. După mai mult de un deceniu de activitate, expertiza onsemi poate oferi garanția supremă necesară pentru a risipi orice îngrijorare pe care producătorii de echipamente originale de automobile ar putea-o avea cu privire la trecerea la tehnologia SiC.
Autor: Jonathan Liao, Sr. Product Line Manager, Automotive Traction Solutions
