SiC が電気自動車の走行距離を 5% 拡大する方法

消費者の需要が絶えず増加し,環境意識/環境規制が増加し,利用可能な選択肢の幅が広がり,電気自動車 (EV) の採用を推進しています.より人気のあるものになっています最近の研究によると,電気自動車の販売は2023年までに世界自動車販売の10%を占め,2030年には

2035年までに 電気自動車の販売は 世界自動車販売の半分を占める可能性があります

しかし"走行距離不安" つまり"回の充電で走れる距離が不十分かもしれないという懸念は 電気自動車の普及に 大きな障害となっている.この課題を克服することは,コストを大幅に増加させずに車両の走行距離を拡大するために不可欠です.

この記事では,メインストリバーにシリコンカービード (SiC) メタルオキシド半導体フィールド効果トランジスタ (MOSFET) を使用することで,電気自動車の走行距離を最大5%まで拡大できる方法を説明します.さらに, 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.

電気自動車のメインインバーター設計の動向

電気自動車のメイン (プライマリ) インバータは,電動牽引モーターのAC電圧要求を満たすために,電池の直流 (DC) 電圧を交流電流 (AC) 電圧に変換する.車両を円滑に運転できるようにする主要のインバーター設計における最新の傾向は以下の通りである.

• 増強力:インバーター出力が大きいと 車の加速が速くなり 運転手が反応が速くなります

• 効率を最大化するインバーターによって消費されるエネルギーの量を最小限に抑え,車両を動かすための電力を増加させる.

• 増電する電圧:400V電池は最近まで電動車で最も一般的な仕様でしたが,自動車業界は電流,ケーブル厚み,体重を減らすために800Vに向かっています.だから電気自動車のメインインバーターは,これらの高圧に対応し,適切な部品を使用する必要があります.

• 体重 と サイズ を 減らす:SiCは,シリコンベースのIGBTと比較してより高い電源密度 (kW/kg) を有する.より高い電源密度はシステムのサイズ (kW/L) を削減し,メインインバーターを軽くし,モーターの負荷を軽減するのに役立ちます.車両の軽量化により,同じ電池を使用した車両の走行距離を拡大し,トランスミッションシステムの容量を削減し,乗客とトランクスペースを増やすことが可能になります.

シリコンよりもシリコンの利点

シリコンと比較して,シリコンカービードは材料の性質の観点からいくつかの利点を提供し,主要なインバーター設計のための優れた選択になります.モース硬度9シリコンの6と比べると0.5です5, SiC を高電圧シンタリングに適し,機械的整合性を高めます.

さらに,SiCは,シリコン (1.15W/cm.K) の4倍の熱伝導性 (4.9W/cm.K) を有し,熱を効果的に散布し,より高い温度で信頼的に動作することができます.SiCの分解電圧 (2500kV/cm) は,シリコン (300kV/cm) よりも8倍高いシリコンに比べてより速い切り替えとより低い損失を可能にします電気自動車の電圧 (800V) 増強のアーキテクチャに適した選択肢となる.

Ansys SiC パッケージは 極めて低熱耐性を有します

明らかに SiC の利点にもかかわらずいくつかの自動車OEMは,主要なインバーターで使用するために隔離ゲート双極トランジスタ (IGBT) などのより伝統的なシリコンベースのスイッチ装置から移行することを躊躇しています.OEM が SiC を採用することを躊躇している理由には:

• SiCは未熟な技術だと認識している

• SiCの実装が難しい

• SiCはインバーター用途に適したパッケージがないと信じています

• シリコンベースの装置と比較して 便利ではありません

• IGBTよりも高価だと思ったら

では どうやってOEMメーカーが SiCを電気自動車のメインインバーターに 使う自信を高められるのか?

OEM の 信頼 を 強化 する

電気自動車のメインインバーターでSiCを使用するOEMの信頼を高めるための第一歩は,SiCで達成できる重要な性能優位性を実証することです.作者は Ansys の NVXR17S90M2SPB をシミュレートするために回路設計ソフトウェアを使用した (1.7mΩ Rdson) とNVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900Vの6パック電源モジュールで,その性能を820A VE-Trac Direct IGBT (同社) と比較した.主インバーター設計のシミュレーション結果は,:

• 10KHzのスイッチ周波数で 450VのDCバス電圧と 550Armsの電源伝送でSiCモジュールの結合温度 (Tvj) (111°C) は,同じ冷却条件下でIGBT (142°C) よりも21%低かった..

• NVXR17S90M2SPBの平均スイッチ損失は34.5%減少し,NVXR22S90M2SPBの平均スイッチ損失はIGBTと比較して16.3%減少した.

• NVXR17S90M2SPBで実装された完全なメインインバーター設計の総損失は,シリコンベースのIGBT設計と比較して40%以上削減されました.NVXR22S90M2SPBを使用すると 25% 減少しました.

これらの改良は,メインインバーターに特有のものですが,電気自動車の全体的な効率を5%向上させ,範囲を5%拡大することができます.100kWのバッテリーと500キロメートルの走行距離を備えた電気自動車AnsysのEliteSiC電源モジュールをベースにしたメインインバーターを使用すると 525キロメートルの範囲を達成できます.このようなメインインバーターにSiCを導入するコストは,シリコンIGBTよりも5%低くなると予想されています..

さらに,IGBTを放棄することを検討するOEMは,Ansys は,統合を簡素化し,同じ熱制約の中で電力の伝送を増加させることを示すために,類似のサイズを持つSiCモジュールを提供しています.さらに,SiCモジュールは,同じ接点温度でより高い電源レベルを処理する利点を提供します.例えば,NVXR17S90M2SPBは760Armsを提供できます.IGBT (Tvj = 150°C) は590Armsしか提供できないさらに Ansys は SiC チップを銅基板に直接結合します装置の接点と冷却液間の熱抵抗を最大20%削減する (Rth接点と液体 = 0).08°C/W).

先進的な相互接続技術を持つ圧形パケットを使用することで,SiCモジュールの高電源密度がさらに向上し,低寄生性誘導性が特徴です.高速スイッチの効率化には不可欠ですさらに,より高いスイッチ周波数は,システム内のいくつかの受動部品のサイズと重量を減らすことができます.このタイプの包装には複数の温度オプション (200°Cまで) が用意されていますOEMの熱管理要件を削減し,熱管理のためにより小さなポンプの使用を許可する可能性があります.