Uuden sukupolven uusi energian moottorinohjaimen kehittäminen - SiC-invertteri
Sähköajoneuvon käyttöohjaimessa taajuusmuuttaja on keskeinen komponentti energian AC / DC-muunnoksessa, ja sitä käytetään energian talteenottoon moottorin ajamisen tai jarrutuksen aikana. Markkinat vaativat yhä enemmän ohjaimia energiansiirtotehokkuuden, tehon tiheyden ja hinnan suhteen. Tehomoduuli on taajuusmuuttajan keskeinen komponentti korkean lähetystehokkuuden ja suuren tehotiheyden saavuttamiseksi. Tällä hetkellä useimmat sähköajoneuvon käyttölaitteiden invertterit perustuvat perinteiseen Si (pii) -laitteen IGBT (eristetty portti bipolaarinen transistori) tehomoduuliin. Suunnittelussa on haittana alhainen kytkentätaajuus ja suuri häviö, mikä rajoittaa sähköajoneuvon kuljettajan tehon tiheyden paranemista.
SiC: llä (piikarbidilla) on kolme etua Si-laitteisiin nähden: suurempi jännitejännite; pienempi menetys; korkeampi lämmönjohtavuus. Nämä ominaisuudet merkitsevät sitä, että SiC-laitteita voidaan käyttää suurjännitteisissä, suurissa kytkentätiheyksissä, suuritehoisissa sovelluksissa. SiC-moduulin tehonvalmistustason paranemisen myötä SiC on sopivampi puolijohdelaite sähköajoneuvojen kuljettajille. SiC-laitteiden käyttö on tehokas keino saavuttaa sähköajoneuvojen kuljettajien suuri tehotiheys. Tällä hetkellä yhä useampia tutkimuksia on tehty SiC-tehomoduulien käyttöön moottorikäyttöisillä taajuusmuuttajilla. Toyota Motor Corporation on soveltanut SiC-tehomoduuleja hybridiajoneuvoihin.
Si-laitteisiin verrattuna Si-laitteisiin on suuria etuja verrattuna Si-laitteisiin.
Korkea hyötysuhde ja parannettu ajoneuvon mittarilukema
Koska SiIGBT: n kytkentäjännite laskee diodiominaisuuksilta: vaikka virta on pieni, IGBT: llä on suuri aloitusjännitteen aleneminen. SiC MOSFET: n kytkentäjännitehäviöllä on resistiivinen ominaisuus: sen kytkentäjännitteen lasku on verrannollinen virta-virtaan. SiIGBT: n ja SiCMOSFET: n kaksi erilaista jänniteominaisuutta määräävät, että SiCMOSFETin johtavuushäviö on korkeampi kuin SiIGBT: n vain silloin, kun virta on hyvin suuri, ja SiCMOSFETin johtavuushäviö on parempi kuin SiIGBT: n nykyisillä aikaväleillä. Koko ajoneuvon työskentelyolosuhteissa suurin osa niistä on pieniä nykyisiä työolosuhteita, ja suuri vääntömomentin työolosuhteet muodostavat pienen osan koko tien taajuudesta. SiC-siruteknologian kehittämisen myötä SiCMOSFET-laitteen vastustuskyky on tulevaisuudessa parempi kuin SiIGBT.
Siksi SiC-laitteen käytön jälkeen taajuusmuuttajan muuntotehokkuus voidaan merkittävästi parantaa, joten samalle akkupaketille SiC-laitteen käyttö voi parantaa tehokkaasti koko ajoneuvon ajokilometriä.
Pieni koko ja suuri tehotiheys
SiC-laitteiden pienen häviämisen vuoksi SiC-laitteet voivat saavuttaa saman lähtötehon pienemmällä sirualueella kuin Si-laitteet. Samalla SiC-laitteet voivat toimia suurilla taajuuksilla, mikä auttaa vähentämään passiivisten komponenttien kokoa teholaitteen ympärillä. United Electronicsin kehittämä SiC-invertteri on yli puolet hyväksytyn Si-invertterin tilavuudesta samalla tehotasolla.
Korkea kytkentätaajuus järjestelmän kohinan optimoimiseksi
Tällä hetkellä Si-taajuusmuuttajan yleinen kytkentätaajuus on 5-10 kHz, ja järjestelmä tuottaa 5-20 kHz: n kytkentämelun, joka on helppo aiheuttaa epämukavuutta taajuusalueella, jota ihmisen korva voi kuunnella. Kun SiC-laite lisää kytkentätaajuutta 40 kHz: iin, järjestelmän synnyttämä kytkentähälytystaajuus voi ylittää taajuusalueen, jota ihmisen korva voi kuunnella. Samalla kytkentätaajuus kasvaa nykyisen ohjauksen harmonisten ominaisuuksien vähentämiseksi, mikä vähentää sähkömagneettista kohinaa ja parantaa ajoneuvon ajokokemusta.
SiC-laitteiden nykyinen käyttö aiheuttaa myös suuria haasteita.
SiC-laitteet ovat kalliimpia
Koska nykyinen piikarbidiprosessi ei ole yhtä kypsä kuin Si, lähinnä 4 tuuman kiekkoihin, materiaalin käyttöaste ei ole korkea, ja Si-sirun kiekko on kehitetty 8 tuumaa tai jopa 12 tuumaa. Toisaalta piikarbisirujen kysyntä markkinoilla ei ole vielä lisääntynyt, ja toisaalta piikarbisirujen hinta on suhteellisen korkea.
SiC-laitteen pakkausteknologian kehitys on jäljessä
Tällä hetkellä monet maailman virtalähteiden toimittajat ovat tutkineet ja kehittäneet piikarbidipiirejä, mutta sen sijaan piikarbidilaitteiden pakkausteknologian kehitys on jäljessä. Si-siru on Si-siruun verrattuna korkeampi lämpötila-resistanssi ja sen käyttölämpötila voi olla yli 200 astetta. SiC-moduulissa käytettävä tiivistystekniikka on kuitenkin edelleen suunniteltu Si-moduulilla, ja sen luotettavuus ja käyttöikä eivät täytä 200 astetta. Työn vaatimukset. SiC-sirun käyttöolosuhteet ovat rajalliset.
Taajuusmuuttajan suojaustekniikka
Si-siruun verrattuna SiC-sirun oikosulkukyky vähenee huomattavasti. Siksi SiC-laitteen oikosulun estämiseksi käytön aikana käyttöpiirillä on oltava pienempi vasteaika, jota ehdotetaan SiC-laitteen käyttöpiirin suojaustekniikalle. Suuri haaste.
Lämpösuunnittelu
Koska yhden SiC-sirun alue on pieni, suuren tehon saavuttamiseksi on välttämätöntä käyttää useampia siruja rinnakkain. Suuren haasteena on, miten moduulin sisällä oleva siru saadaan järkevästi käyttöön, jotta sirujen ja sirun kuuman pisteen lämpötilan välinen tasapaino voidaan varmistaa.
Korkean kytkentänopeuden aiheuttamat EMI- ja eristysongelmat
Si-laitteisiin verrattuna SiC-laitteiden kytkentänopeutta voidaan parantaa merkittävästi, ja di / dt ja dv / dt kytkentäprosessissa paranevat, vaikka tämä auttaa vähentämään laitteen kytkentähäviötä, mutta toisaalta sitä on vakava asia, sillä se tuottaa vakavia EMI-ongelmia, miten ohjauspiirin ja suodatinpiirin asianmukainen suunnittelu vaimentaa EMI: tä. Samalla suuri dv / dt vaikuttaa haitallisesti moottorikäämien eristykseen, mikä voi nopeuttaa eristävien osien, kuten emaloidun langan ja eristysrenkaan, vanhenemista, mikä tuo uusia haasteita moottorin eristysrakenteelle.
Yhteenvetona
Vaikka nykyinen SiC-laitteen prosessi ei ole yhtä kypsä kuin Si, SiC-paketin kehitys on suhteellisen myöhäistä ja laitteen hinta on useita kertoja suurempi kuin Si: n. Laiteteknologian kypsyyden ja SiC-laitteiden kysynnän kasvun myötä nämä haittapuolet tasoittuvat vähitellen, ja SiC-laitteet ovat luonnostaan korkealla jännitteellä, korkealla kytkentätaajuudella, alhaisella häviöllä ja niin edelleen. Edut määräävät myös, että sitä voidaan käyttää yhä laajemmin erittäin kilpailukykyisenä materiaalina tulevaisuudessa.
