Cómo el SiC puede aumentar el alcance de un vehículo eléctrico en un 5%

La creciente demanda de los consumidores, el aumento de la conciencia ambiental y de las regulaciones medioambientales, y una gama más amplia de opciones disponibles están impulsando la adopción de vehículos eléctricos (VE),haciéndolos cada vez más popularesUn estudio reciente indica que para 2023, las ventas de vehículos eléctricos representarán el 10% de las ventas mundiales de automóviles.

30%; y para 2035, las ventas de vehículos eléctricos podrían representar potencialmente la mitad de las ventas mundiales de automóviles.

Sin embargo, la "ansiedad por el alcance", la preocupación de que el kilometraje cubierto con una sola carga pueda no ser suficiente, sigue siendo un obstáculo importante para la adopción generalizada de vehículos eléctricos.Superar este reto es crucial para ampliar el alcance del vehículo sin aumentar significativamente los costes.

En este artículo se analiza cómo el uso de transistores de efecto de campo de óxido de silicio (SiC) y semiconductores (MOSFET) en el inversor principal puede extender el alcance del vehículo eléctrico hasta en un 5%.Además, 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.

Tendencias en el diseño del inversor principal de vehículos eléctricos

El inversor principal (primario) de los vehículos eléctricos convierte el voltaje de la batería de corriente continua (CC) en voltaje de corriente alterna (AC) para satisfacer los requisitos de voltaje AC del motor de tracción eléctrico,que le permita conducir el vehículo sin problemasLas últimas tendencias en el diseño de los inversores principales incluyen:

• Aumento de la potencia:Una mayor potencia de salida del inversor conduce a una aceleración más rápida del vehículo y una respuesta más rápida para el conductor.

• Maximizar la eficiencia:Minimizar la cantidad de energía consumida por el inversor para aumentar la potencia disponible para conducir el vehículo.

• Ventilación de aumento:Mientras que las baterías de 400 V han sido la especificación más común en los vehículos eléctricos hasta hace poco, la industria automotriz se está moviendo hacia 800 V para reducir la corriente, el grosor del cable y el peso.Por lo tanto, el inversor principal de los vehículos eléctricos debe ser capaz de manejar estos voltajes más altos y utilizar componentes adecuados.

• Reducción de peso y tamaño:SiC tiene una mayor densidad de potencia (kW/kg) en comparación con los IGBT basados en silicio.El menor peso del vehículo contribuye a ampliar el alcance del vehículo utilizando la misma batería, reduciendo al mismo tiempo el volumen del sistema de transmisión y aumentando el espacio para pasajeros y maletero.

Ventajas del SiC sobre el silicio

Comparado con el silicio, el carburo de silicio ofrece varias ventajas en términos de propiedades del material, lo que lo convierte en una opción superior para los diseños de inversores principales.con un índice de dureza de Mohs de 9.5 en comparación con los 6 del silicio.5, lo que hace que el SiC sea más adecuado para la sinterización de alto voltaje y proporciona una mayor integridad mecánica.

Además, el SiC tiene una conductividad térmica cuatro veces superior a la del silicio (1,15 W/cm.K), lo que le permite disipar el calor de manera eficaz y operar de forma fiable a temperaturas más altas.El voltaje de descomposición del SiC (2500kV/cm) es ocho veces mayor que el del silicio (300kV/cm), y posee propiedades de banda ancha, lo que permite un cambio más rápido y bajas pérdidas en comparación con el silicio,lo que lo convierte en una mejor opción para las arquitecturas de aumento de voltaje (800V) en vehículos eléctricos.

Los envases Ansys SiC ofrecen una resistencia térmica excepcionalmente baja

A pesar de las claras ventajas de SiC,Algunos fabricantes de automóviles OEM han sido reacios a la transición de los dispositivos de conmutación basados en silicio más tradicionales como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) para su uso en el inversor principalEntre las razones por las que los fabricantes de equipos originales dudan en adoptar el SiC se encuentran:

• Percibimos el SiC como una tecnología inmadura.

• Encontrar la implementación de SiC desafiante.

• Creyendo que el SiC carece de un embalaje adecuado para las principales aplicaciones de inversores.

• Suponiendo que el suministro de SiC es menos conveniente en comparación con los dispositivos basados en silicio.

• Pensando que el SiC es más caro que los IGBT.

Entonces, ¿cómo pueden los OEM tener más confianza en el uso de SiC en los inversores principales de vehículos eléctricos?

Aumentar la confianza en los fabricantes

El primer paso para aumentar la confianza de los OEM en el uso de SiC en los inversores principales de vehículos eléctricos es demostrar las importantes ventajas de rendimiento que se pueden lograr con SiC.El autor utilizó un software de diseño de circuitos para simular el NVXR17S90M2SPB de Ansys (1.7mΩ Rdson) y NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V módulos de potencia de seis paquetes y comparó su rendimiento con el 820A VE-Trac Direct IGBT (también de Ansys).Los resultados de la simulación del diseño del inversor principal mostraron que:

• con una frecuencia de conmutación de 10KHz, con voltaje de bus de 450V de corriente continua y transmisión de energía de 550Arms,La temperatura de unión del módulo SiC (Tvj) (111°C) fue un 21% inferior a la del IGBT (142°C) en las mismas condiciones de enfriamiento.

• Las pérdidas de conmutación promedio para NVXR17S90M2SPB se redujeron en un 34,5%, mientras que las de NVXR22S90M2SPB disminuyeron en un 16,3% en comparación con IGBT.

• Las pérdidas totales para el diseño completo del inversor principal implementado con NVXR17S90M2SPB se redujeron en más del 40% en comparación con un diseño IGBT basado en silicio,y las pérdidas de potencia se redujeron en un 25% cuando se utiliza NVXR22S90M2SPB.

Aunque estas mejoras son específicas para el inversor principal, pueden mejorar la eficiencia general de los vehículos eléctricos en un 5%, lo que resulta en una ampliación del 5% del rango.un vehículo eléctrico equipado con una batería de 100 kW y un alcance de 500 kilómetros, cuando se utiliza un inversor principal basado en los módulos de potencia EliteSiC de Ansys, podría alcanzar un alcance de 525 kilómetros.Se espera que el coste de la implementación de SiC en estos inversores principales sea un 5% menor que los IGBT de silicio..

Además, para los OEM que consideran abandonar los IGBT,Ansys ofrece módulos de SiC de tamaños similares para simplificar la integración y demostrar una mayor transmisión de potencia dentro de las mismas restricciones térmicasAdemás, los módulos SiC ofrecen la ventaja de manejar niveles de potencia más altos a la misma temperatura de unión.mientras que el IGBT (Tvj = 150°C) sólo puede proporcionar 590ArmsAdemás, Ansys enlaza los chips de SiC directamente con sustratos de cobre.reducción de la resistencia térmica entre la unión del dispositivo y el fluido de enfriamiento hasta en un 20% (Rth unión al fluido = 0.08 °C/W).

El uso de paquetes moldeados a presión con tecnología de interconexión avanzada mejora aún más la alta densidad de potencia de los módulos SiC y presentan una baja inductancia parasitaria,crucial para la eficiencia de conmutación de alta velocidadAdemás, la mayor frecuencia de conmutación puede conducir a una reducción del tamaño y del peso de algunos componentes pasivos dentro del sistema.Este tipo de embalaje ofrece múltiples opciones de temperatura (hasta 200°C), reduciendo los requisitos de gestión térmica de los OEM y permitiendo potencialmente el uso de bombas más pequeñas para la gestión térmica.