Desarrollo de nuevos controladores de motores de nueva generación de energía - Inversor SiC

- Dec 13, 2018-

Desarrollo de nuevos controladores de motores de nueva generación de energía - Inversor SiC

En el controlador de la unidad del vehículo eléctrico, el inversor es un componente clave para la conversión de energía CA / CC, y se utiliza para recuperar energía durante la conducción o el frenado del motor. El mercado es cada vez más exigente para los controladores en términos de eficiencia de transferencia de energía, densidad de potencia y precio. El módulo de potencia es el componente clave del inversor para lograr una alta eficiencia de transmisión y una alta densidad de potencia. En la actualidad, la mayoría de los inversores de conducción de vehículos eléctricos se basan en el tradicional módulo de potencia IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) del dispositivo de Si (silicio). El diseño tiene las desventajas de una baja frecuencia de conmutación y una gran pérdida, lo que limita la mejora de la densidad de potencia del conductor del vehículo eléctrico.

SiC (carburo de silicio) tiene tres ventajas sobre los dispositivos de Si: mayor resistencia a la tensión de ruptura; menor pérdida Mayor conductividad térmica. Estas características significan que los dispositivos de SiC se pueden usar en aplicaciones de alto voltaje, alta frecuencia de conmutación y alta densidad de potencia. Con la mejora del nivel de fabricación de energía del módulo SiC, SiC será un dispositivo semiconductor más adecuado para conductores de vehículos eléctricos. El uso de dispositivos SiC es un medio eficaz para lograr una alta densidad de potencia de los conductores de vehículos eléctricos. En la actualidad, se han aplicado más y más investigaciones a la aplicación de módulos de potencia SiC a inversores motorizados. Toyota Motor Corporation ha aplicado módulos de potencia de SiC a vehículos híbridos.

En comparación con los dispositivos de Si, el uso de los dispositivos de SiC tiene grandes ventajas.

Alta eficiencia y kilometraje mejorado del vehículo.

Dado que la caída de tensión de encendido del SiIGBT presenta características de diodo: incluso si la corriente de activación es pequeña, el IGBT tiene una gran caída de tensión de activación inicial. La caída de tensión de activación del SiC MOSFET presenta una característica resistiva: su caída de tensión de activación es proporcional a la corriente de activación. Las dos características diferentes de voltaje de encendido de SiIGBT y SiCMOSFET determinan que la pérdida de conducción de SiCMOSFET es mayor que la de SiIGBT solo cuando la corriente es muy grande, y la pérdida de conducción de SiCMOSFET es mejor que la de SiIGBT en la mayoría de los intervalos actuales. En todas las condiciones de trabajo del vehículo, la mayoría de ellas son pequeñas condiciones de trabajo actuales, y las condiciones de trabajo de par grande representan una pequeña proporción en todo el espectro de la carretera. Con el desarrollo de la tecnología de chip SiC, la resistencia de encendido de SiCMOSFET será mejor que SiIGBT en el futuro.

Por lo tanto, después de usar el dispositivo SiC, la eficiencia de conversión del inversor se puede mejorar significativamente, de modo que para el mismo paquete de baterías, el uso del dispositivo SiC puede mejorar efectivamente el kilometraje de todo el vehículo.

Pequeño tamaño y alta densidad de potencia.

Debido a la baja pérdida de dispositivos SiC, los dispositivos SiC pueden lograr la misma potencia de salida con un área de chip más pequeña que los dispositivos Si. Al mismo tiempo, los dispositivos de SiC pueden operar a altas frecuencias, ayudando a reducir el tamaño de los componentes pasivos alrededor del dispositivo de potencia. El inversor SiC desarrollado por United Electronics tiene más de la mitad del volumen del inversor Si aprobado con el mismo nivel de potencia.

Alta frecuencia de conmutación para optimizar el ruido del sistema.

En la actualidad, la frecuencia de conmutación común del inversor Si es de 5-10 kHz, y el sistema generará un ruido de conmutación de 5-20 kHz, que es fácil de causar incomodidad en el rango de frecuencia que puede escuchar el oído humano. Con el dispositivo SiC, al aumentar la frecuencia de conmutación a 40 kHz, la frecuencia de ruido de conmutación generada por el sistema puede exceder el rango de frecuencia que puede escuchar el oído humano. Al mismo tiempo, la frecuencia de conmutación se incrementa para ayudar a reducir los armónicos de control de corriente, lo que reduce el ruido electromagnético y mejora la experiencia de conducción del vehículo.

Pero el uso actual de los dispositivos de SiC también presenta grandes desafíos.

Los dispositivos de SiC son más caros

Dado que el proceso actual del chip SiC no es tan maduro como el Si, principalmente para obleas de 4 pulgadas, la tasa de utilización del material no es alta, y la oblea de chip Si se ha desarrollado hasta 8 pulgadas o incluso 12 pulgadas. Por otro lado, la demanda de chips de SiC en el mercado aún no ha aumentado, y por otro lado, el costo de los chips de SiC es relativamente alto.

El desarrollo de la tecnología de empaquetado de dispositivos SiC se retrasa

En la actualidad, muchos de los principales proveedores de dispositivos de alimentación en el mundo han investigado y desarrollado chips de SiC, pero en contraste, el desarrollo de la tecnología de envasado para dispositivos de SiC se retrasa. En comparación con el chip Si, el chip SiC tiene una mayor resistencia a la temperatura y su temperatura de funcionamiento puede superar los 200 grados. Sin embargo, la tecnología de sellado utilizada en el módulo SiC todavía está diseñada con el módulo Si, y su confiabilidad y vida útil no pueden alcanzar los 200 grados. Requisitos de trabajo. Las condiciones de aplicación del chip SiC son limitadas.

Tecnología de protección de la unidad

En comparación con el chip Si, la capacidad de resistencia al cortocircuito del chip SiC se reduce considerablemente. Por lo tanto, para evitar una falla de cortocircuito del dispositivo SiC durante la operación, el circuito de excitación debe tener un tiempo de respuesta más bajo, que se propone para la tecnología de protección del circuito de excitación del dispositivo de SiC. Un gran reto.

Diseño termico

Dado que el área de un solo chip SiC es pequeña, para lograr una salida de alta potencia, es necesario usar más chips en paralelo. Cómo hacer un diseño de diseño razonable del chip dentro del módulo para garantizar el equilibrio térmico entre los chips y controlar la temperatura del punto caliente del chip es un gran desafío.

Problemas de aislamiento y EMI causados por la alta velocidad de conmutación.

En comparación con los dispositivos de Si, la velocidad de conmutación de los dispositivos de SiC puede mejorarse significativamente, y los di / dt y dv / dt en el proceso de conmutación se mejoran, aunque esto ayuda a reducir la pérdida de conmutación del dispositivo, pero por otro lado producirá problemas graves de EMI, cómo diseñar correctamente el circuito de control y el circuito de filtro para suprimir la EMI también es un tema importante. Al mismo tiempo, un alto dv / dt afecta negativamente al aislamiento de los devanados del motor, lo que puede acelerar el envejecimiento de las piezas aislantes, como el alambre esmaltado y el anillo aislante, lo que plantea nuevos desafíos para el diseño de aislamiento del motor.

para resumir

Aunque el proceso actual del dispositivo de SiC no es tan maduro como el de Si, el desarrollo del paquete de SiC está relativamente rezagado, y el precio del dispositivo es varias veces mayor que el de Si. Sin embargo, con la madurez de la tecnología de dispositivos y la creciente demanda de dispositivos de SiC en el mercado, estas desventajas se suavizarán gradualmente, y los dispositivos de SiC son inherentemente alto voltaje de resistencia, alta frecuencia de conmutación, baja pérdida, etc. Las ventajas también determinan que se puede utilizar cada vez más como un material muy competitivo en el futuro.


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