Phát triển bộ điều khiển động cơ năng lượng mới thế hệ mới - Biến tần SiC

Trong bộ điều khiển truyền động xe điện, biến tần là thành phần chính để chuyển đổi năng lượng AC / DC và được sử dụng để phục hồi năng lượng trong quá trình lái xe hoặc phanh của động cơ. Thị trường đang ngày càng đòi hỏi cao hơn đối với các bộ điều khiển về hiệu quả truyền năng lượng, mật độ năng lượng và giá cả. Mô-đun nguồn là thành phần chính của biến tần để đạt được hiệu suất truyền cao và mật độ công suất cao. Hiện nay, hầu hết các bộ biến tần điều khiển xe điện đều dựa trên mô-đun điện IGBT truyền thống (silicon) cách điện. Thiết kế có nhược điểm là tần số chuyển đổi thấp và tổn thất lớn, điều này hạn chế việc cải thiện mật độ năng lượng của người lái xe điện.

SiC (silicon carbide) có ba ưu điểm so với các thiết bị Si: cường độ điện áp cao hơn; tổn thất thấp hơn; độ dẫn nhiệt cao hơn. Những đặc điểm này có nghĩa là các thiết bị SiC có thể được sử dụng trong các ứng dụng điện áp cao, tần số chuyển mạch cao, mật độ năng lượng cao. Với sự cải thiện mức độ sản xuất năng lượng mô-đun SiC, SiC sẽ là một thiết bị bán dẫn phù hợp hơn cho người lái xe điện. Việc sử dụng các thiết bị SiC là một phương tiện hiệu quả để đạt được mật độ năng lượng cao của người lái xe điện. Hiện nay, ngày càng có nhiều nghiên cứu được áp dụng cho việc áp dụng các mô-đun công suất SiC cho các bộ biến tần điều khiển động cơ. Tập đoàn ô tô Toyota đã áp dụng các mô-đun năng lượng SiC cho xe hybrid.

So với các thiết bị Si, việc sử dụng các thiết bị SiC có những ưu điểm tuyệt vời.

Hiệu quả cao và cải thiện số dặm xe

Do sự sụt giảm điện áp bật của SiIGBT thể hiện các đặc tính của diode: ngay cả khi dòng điện nhỏ, IGBT có sự sụt giảm điện áp bật ban đầu lớn. Sự sụt giảm điện áp bật của MOSC SiC thể hiện một đặc tính điện trở: độ sụt điện áp bật của nó tỷ lệ thuận với dòng điện bật. Hai đặc tính điện áp khác nhau của SiIGBT và SiCMOSFE xác định rằng tổn thất dẫn truyền của SiCMOSFET chỉ cao hơn SiIGBT khi dòng điện rất lớn và tổn thất dẫn truyền của SiCMOSFET tốt hơn so với SiIGBT trong hầu hết các khoảng thời gian hiện tại. Trong toàn bộ điều kiện làm việc của xe, hầu hết trong số chúng là điều kiện làm việc nhỏ hiện tại và điều kiện làm việc mô-men xoắn lớn chiếm tỷ lệ nhỏ trong toàn bộ phổ đường. Với sự phát triển của công nghệ chip SiC, khả năng kháng SiCMOSFE sẽ tốt hơn SiIGBT trong tương lai.

Do đó, sau khi sử dụng thiết bị SiC, hiệu suất chuyển đổi của biến tần có thể được cải thiện đáng kể, do đó, với cùng một bộ pin, việc sử dụng thiết bị SiC có thể cải thiện hiệu quả số dặm của toàn bộ chiếc xe.

Kích thước nhỏ và mật độ năng lượng cao

Do tổn thất thấp của các thiết bị SiC, các thiết bị SiC có thể đạt được công suất đầu ra tương tự với diện tích chip nhỏ hơn các thiết bị Si. Đồng thời, các thiết bị SiC có thể hoạt động ở tần số cao, giúp giảm kích thước của các thành phần thụ động xung quanh thiết bị điện. Biến tần SiC do United Electronics phát triển là hơn một nửa âm lượng của biến tần Si được phê duyệt ở cùng mức công suất.

Tần số chuyển đổi cao để tối ưu hóa tiếng ồn hệ thống

Hiện tại, tần số chuyển đổi phổ biến của biến tần Si là 5-10 kHz và hệ thống sẽ tạo ra tiếng ồn chuyển đổi 5-20 kHz, dễ gây ra sự khó chịu trong dải tần số có thể nghe được bằng tai người. Với thiết bị SiC, bằng cách tăng tần số chuyển đổi lên 40 kHz, tần số nhiễu chuyển đổi do hệ thống tạo ra có thể vượt quá dải tần có thể nghe được bằng tai người. Đồng thời, tần số chuyển đổi được tăng lên để giúp giảm sóng hài điều khiển hiện tại, từ đó giảm tiếng ồn điện từ và cải thiện trải nghiệm lái xe của xe.

Nhưng việc sử dụng các thiết bị SiC hiện tại cũng mang đến những thách thức lớn.

Thiết bị SiC đắt hơn

Do quy trình chip SiC hiện tại chưa trưởng thành như Si, chủ yếu dành cho các tấm wafer 4 inch, tốc độ sử dụng vật liệu không cao, và wafer chip Si đã được phát triển lên 8 inch hoặc thậm chí 12 inch. Mặt khác, nhu cầu về chip SiC trên thị trường vẫn chưa tăng và mặt khác, giá thành của chip SiC tương đối cao.

Phát triển công nghệ đóng gói thiết bị SiC tụt lại phía sau

Hiện nay, nhiều nhà cung cấp thiết bị điện chính thống trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển chip SiC, nhưng ngược lại, sự phát triển của công nghệ đóng gói cho các thiết bị SiC bị tụt lại phía sau. So với chip Si, chip SiC có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn và nhiệt độ hoạt động của nó có thể vượt quá 200 độ. Tuy nhiên, công nghệ niêm phong được sử dụng trong mô-đun SiC vẫn được thiết kế với mô-đun Si và độ tin cậy và tuổi thọ của nó không thể đáp ứng 200 độ. Yêu cầu công việc. Các điều kiện ứng dụng của chip SiC bị hạn chế.

Công nghệ bảo vệ ổ đĩa

So với chip Si, khả năng chịu ngắn mạch của chip SiC bị giảm đi rất nhiều. Do đó, để ngăn ngừa sự cố ngắn mạch của thiết bị SiC trong quá trình hoạt động, mạch ổ đĩa cần có thời gian đáp ứng thấp hơn, được đề xuất cho công nghệ bảo vệ của mạch điều khiển thiết bị SiC. Một thách thức lớn.

Thiết kế nhiệt

Do diện tích của một chip SiC duy nhất là nhỏ, để đạt được công suất cao, cần phải sử dụng song song nhiều chip hơn. Làm thế nào để thiết kế bố trí hợp lý của chip bên trong mô-đun để đảm bảo cân bằng nhiệt giữa các chip và theo dõi nhiệt độ điểm nóng của chip là một thách thức lớn.

EMI và các vấn đề cách điện gây ra bởi tốc độ chuyển mạch cao

So với các thiết bị Si, tốc độ chuyển đổi của các thiết bị SiC có thể được cải thiện đáng kể và di / dt và dv / dt trong quá trình chuyển đổi được cải thiện, mặc dù điều này giúp giảm tổn thất chuyển mạch của thiết bị, nhưng mặt khác nó lại sẽ tạo ra các vấn đề EMI nghiêm trọng, làm thế nào để thiết kế đúng mạch điều khiển và mạch lọc để triệt tiêu EMI cũng là một vấn đề quan trọng. Đồng thời, dv / dt cao ảnh hưởng xấu đến cách điện của cuộn dây động cơ, có thể làm tăng tốc độ lão hóa của các bộ phận cách điện như dây tráng men và vòng cách điện, do đó mang lại những thách thức mới cho thiết kế cách điện của động cơ.

tóm lại

Mặc dù quy trình thiết bị SiC hiện tại chưa hoàn thiện như Si, nhưng sự phát triển của gói SiC tương đối chậm trễ và giá của thiết bị cao hơn nhiều lần so với Si. Tuy nhiên, với sự trưởng thành của công nghệ thiết bị và nhu cầu ngày càng tăng đối với các thiết bị SiC trên thị trường, những nhược điểm này sẽ dần được giải quyết và các thiết bị SiC vốn đã chịu được điện áp cao, tần số chuyển mạch cao, tổn thất thấp, v.v. Những lợi thế cũng xác định rằng nó có thể được sử dụng ngày càng rộng rãi như một vật liệu rất cạnh tranh trong tương lai.