Como o SiC pode aumentar o alcance de veículos elétricos em 5%

A procura continuamente crescente dos consumidores, o aumento da consciência ambiental/regulações ambientais e uma gama mais ampla de opções disponíveis estão a impulsionar a adoção de veículos elétricos (VE),tornando-os cada vez mais popularesUm estudo recente indica que, em 2023, as vendas de veículos elétricos representarão 10% das vendas globais de automóveis; até 2030, espera-se que este número aumente para

30%; e até 2035, as vendas de veículos elétricos podem representar potencialmente metade das vendas globais de automóveis.

No entanto, a "ansiedade de alcance", a preocupação de que a quilometragem coberta com uma única carga pode não ser suficiente, continua a ser um obstáculo significativo para a adoção generalizada de veículos elétricos.A superação deste desafio é crucial para alargar a autonomia do veículo sem aumentar significativamente os custos.

Este artigo discute como o uso de Transistores de Efeito de Campo de Metal-Óxido-Semicondutor de Carbono de Silício (SiC) (MOSFETs) no inversor principal pode estender o alcance do veículo elétrico em até 5%.Além disso,, 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.

Tendências no projeto do inversor principal de veículos elétricos

O inversor principal (primário) dos veículos elétricos converte a tensão da bateria de corrente contínua (CC) em tensão de corrente alternada (AC) para satisfazer os requisitos de tensão AC do motor de tração elétrico,permitindo conduzir o veículo sem problemasAs últimas tendências no projecto dos inversores principais incluem:

• Aumentar a potência:Uma potência de saída do inversor maior leva a uma aceleração mais rápida do veículo e uma resposta mais rápida para o condutor.

• Maximizar a Eficiência:Minimizar a quantidade de energia consumida pelo inversor para aumentar a potência disponível para a condução do veículo.

• Aumentar a tensão:Enquanto as baterias de 400 V foram a especificação mais comum nos veículos elétricos até recentemente, a indústria automotiva está se movendo para 800 V para reduzir a corrente, espessura do cabo e peso.Por conseguinte,, o inversor principal dos veículos eléctricos deve ser capaz de lidar com estas voltagens mais elevadas e utilizar componentes adequados.

• Reduzir peso e tamanho:O SiC tem uma maior densidade de potência (kW/kg) em comparação com os IGBTs baseados em silício.O menor peso do veículo contribui para aumentar a autonomia do veículo utilizando a mesma bateria, reduzindo simultaneamente o volume do sistema de transmissão e aumentando o espaço para passageiros e bagageiro.

Vantagens do SiC sobre o Silício

Em comparação com o silício, o carburo de silício oferece várias vantagens em termos de propriedades do material, tornando-o uma escolha superior para projetos de inversores principais.com um índice de dureza de Mohs de 9.5 em comparação com o silício 6.5, tornando o SiC mais adequado para sinterização de alta tensão e proporcionando maior integridade mecânica.

Além disso, o SiC tem uma condutividade térmica (4,9 W/cm.K) quatro vezes superior à do silício (1,15 W/cm.K), o que lhe permite dissipar eficazmente o calor e operar de forma fiável a temperaturas mais elevadas.A tensão de quebra do SiC (2500kV/cm) é oito vezes superior à do silício (300kV/cm), e possui propriedades de banda larga, permitindo uma comutação mais rápida e perdas mais baixas em comparação com o silício,tornando-a uma escolha melhor para as arquiteturas de tensão crescente (800V) em veículos elétricos.

Embalagens Ansys SiC oferecem excepcionalmente baixa resistência térmica

Apesar das claras vantagens da SiC,alguns OEMs automotivos têm sido relutantes em fazer a transição de dispositivos de comutação baseados em silício mais tradicionais como Transistores Bipolares de Portão Isolados (IGBTs) para uso no inversor principalAs razões para os fabricantes OEM hesitarem em adotar o SiC incluem:

• Percebendo SiC como uma tecnologia imatura.

• Encontrar a implementação do SiC desafiadora.

• Acreditando que o SiC não possui uma embalagem adequada para as principais aplicações de inversores.

• Assumindo que o fornecimento de SiC é menos conveniente em comparação com dispositivos baseados em silício.

• Pensando que o SiC é mais caro do que os IGBT.

Então, como os OEMs podem ser mais confiantes no uso de SiC em inversores principais de veículos elétricos?

Aumentar a confiança no OEM

O primeiro passo para aumentar a confiança dos OEM na utilização de SiC nos inversores principais de veículos elétricos é demonstrar as vantagens significativas de desempenho que podem ser alcançadas com SiC.O autor utilizou um software de concepção de circuitos para simular o NVXR17S90M2SPB da Ansys (1.7mΩ Rdson) e NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V módulos de energia de seis pacotes e comparou seu desempenho com o 820A VE-Trac Direct IGBT (também da Ansys).Os resultados da simulação do projecto do inversor principal mostraram que::

• A uma frequência de comutação de 10KHz, com tensão de 450V DC e transmissão de energia de 550Arms,A temperatura de junção do módulo SiC (Tvj) (111°C) foi 21% inferior à do IGBT (142°C) nas mesmas condições de arrefecimento.

• As perdas médias de comutação para o NVXR17S90M2SPB diminuíram 34,5%, enquanto as do NVXR22S90M2SPB diminuíram 16,3% em comparação com o IGBT.

• As perdas globais para o projeto completo do inversor principal implementado com o NVXR17S90M2SPB foram reduzidas em mais de 40% em comparação com um projeto IGBT à base de silício,e as perdas de energia foram reduzidas em 25% quando se utiliza NVXR22S90M2SPB.

Embora estas melhorias sejam específicas do inversor principal, podem aumentar a eficiência global dos veículos elétricos em 5%, resultando num alargamento da autonomia em 5%.um veículo elétrico equipado com uma bateria de 100 kW e uma autonomia de 500 quilómetros, quando se utiliza um inversor principal baseado nos módulos de potência EliteSiC da Ansys, pode alcançar um alcance de 525 quilómetros.O custo da implementação de SiC nesses inversores principais deverá ser 5% menor do que os IGBTs de silício.

Além disso, para os fabricantes de equipamentos originais que consideram abandonar os IGBT,A Ansys oferece módulos SiC de tamanhos semelhantes para simplificar a integração e demonstrar uma maior transmissão de potência dentro das mesmas restrições térmicasAlém disso, os módulos SiC oferecem a vantagem de lidar com níveis de potência mais elevados na mesma temperatura de junção.enquanto IGBT (Tvj = 150°C) só pode fornecer 590ArmsAlém disso, a Ansys liga chips de SiC diretamente a substratos de cobre,Redução da resistência térmica entre a junção do dispositivo e o fluido de arrefecimento até 20% (Rth junção com o fluido = 00,08 °C/W).

O uso de pacotes moldados sob pressão com tecnologia avançada de interconexão aumenta ainda mais a alta densidade de potência dos módulos SiC e apresentam baixa indutividade parasitária,crucial para a eficiência da comutação de alta velocidadeAlém disso, a maior frequência de comutação pode conduzir a uma redução do tamanho e do peso de alguns componentes passivos no sistema.Este tipo de embalagem oferece várias opções de temperatura (até 200°C), reduzindo os requisitos de gestão térmica do fabricante OEM e possibilitando potencialmente a utilização de bombas menores para gestão térmica.