Vítejte, dnes je
sobota 21.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Elektromobilů (EV) je na cestách stále víc. Mohou za to rostoucí nároky ze strany řidičů, obavy či regulace související s životním prostředím a také dosažitelné možnosti.
Podle nedávného průzkumu Goldman Sachs [1] se v roce 2023 podílely EV na celosvětovém prodeji aut z 10 %. Do roku 2030 se pak očekává vzestup na 30 % a o dalších pět let později by již mohla EV tvořit polovinu všech prodaných vozů. Širšímu přijetí však stále brání především strach z krátké dojezdové vzdálenosti, tedy obavy, že potřebnou cestu neurazíme na jedno nabití. Řešení zde proto bude spočívat v prodlužování samotného dojezdu, aniž by přitom výrazněji rostly náklady.
V článku si ukážeme, jak mohou polem řízené tranzistory MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) na bázi karbidu křemíku (SiC) použité v trakčním střídači zvýšit dojezdovou vzdálenost až o 5 %. Také si ukážeme, proč někteří OEM výrobci (original equipment manufacturer) váhali s přechodem od křemíkových bipolárních tranzistorů s izolovaným hradlem IGBT k součástkám SiC. Zmíníme též úsilí firmy onsemi, která chce takové obavy mírnit a posilovat přitom důvěru v tuto vyspělou polovodičovou technologii se širokým zakázaným pásem.
Trakce a trendy v automobilovém průmyslu
Trakční (hlavní) střídač má v EV za úkol transformovat DC napětí baterie na AC napětí vyžadované elektrickým trakčním motorem, který má na starosti pohon vozidla. Poslední trendy v oblasti návrhu trakčních střídačů proto zahrnují:
Rostoucí výkony
Čím větší bude výkon na výstupu ze střídače, tím rychleji dokáže vozidlo akcelerovat a reagovat na řízení.
Maximální účinnost
Aby se mohl hnací výkon zvyšovat, je zapotřebí minimalizovat spotřebu samotného střídače.
Vyšší napětí
Ještě nedávno se nejčastěji používaly 400V baterie, ale automobilový průmysl nyní směřuje k 800V. Snižuje se tak proud, průřez kabelu nebo i hmotnost. Trakční střídač musí umět v EV pracovat s touto vyšší úrovní napětí a využívat přitom ty správné součástky.
Klesající hmotnost i rozměry
U technologií na bázi SiC pozorujeme ve srovnání s křemíkovými tranzistory IGBT vyšší hustotu výkonu (kW/kg). Rostoucí výkonová hustota nám dokáže snížit velikost systému (kW/litr), takže lze zmenšit i hmotnost trakčního invertoru společně s menším zatížením pro samotný elektromotor. Klesající váha vozidla konečně napomáhá delšímu dojezdu při zachování shodné baterie. Hnací ústrojí nebude tak veliké a zvětšuje se nám i prostor určený pro posádku nebo např. zatížitelnost kufru.
Výhody SiC v porovnání s křemíkem
Jako materiál bude mít karbid křemíku oproti tradičnímu křemíku několik výhod a stává se tak pro návrhy s trakčními střídači lepší volbou. V prvé řadě půjde o jeho fyzickou tvrdost, kdy oproti 6,5 Mohs pro křemík nově uvažujeme 9,5 Mohs, takže se lépe hodí pro sintrování pod vysokým tlakem a umožňuje i lepší mechanickou integritu. Tepelná vodivost (4,9 W/cm.K) je oproti křemíku (1,15 W/cm.K) více než čtyřnásobná. Znamená to, že dokáže spolehlivě pracovat i při vyšších teplotách, protože zde dochází k efektivnějšímu přenosu tepla. SiC má nakonec i osminásobně vyšší průrazné napětí (2500 kV/cm oproti 300 kV/cm), zatímco jeho charakter, pokud jde o široký zakázaný pás, umožňuje rychlejší spínání či vypínání. Lépe se tak bude hodit do architektur elektrovozidel se stále větším napětím (800 V), přičemž napětí související se širším zakázaným pásem se oproti křemíku dále projevuje na klesajících ztrátách.
K dřívějším obavám z přijetí SiC
Navzdory zřejmým výhodám karbidu křemíku se někteří OEM v automobilovém průmyslu zdráhali přejít od běžnějších křemíkových spínacích součástek pro trakční střídače, jako jsou např. tranzistory IGBT. Taková neochota zde vyplývala z představ, že SiC
- není vyspělou technologií,
- obtížně se implementuje,
- není k dispozici v pouzdrech vhodných pro pohony,
- součástky neobdržíme ihned po objednání tak jako v případě křemíkových prvků,
- řešení je dražší, než je tomu u IGBT.
V dalším textu si z různých hledisek ukážeme, proč jsou takové pocity neodůvodněné a proč mohou OEM v rámci trakčních střídačů pro EV technologie SiC s jistotou používat.
Obr. 1 Poslední trendy spojované s návrhem trakčních střídačů v EV
Rostoucí účinnost trakčního střídače s SiC názorně
Prvním krokem při budování důvěry je názorné předvedení zřejmých technických výhod, kterých lze v návrzích trakčních střídačů díky technologiím SiC dosáhnout. Napájecí šestiprvkové 900V moduly EliteSiC NVXR17S90M2SPB (RDSon = 1,7 mΩ) a NVXR22S90M2SPB (RDSon = 2,2 mΩ) od firmy onsemi byly simulovány s využitím softwaru pro návrh obvodů a jejich vlastnosti dále porovnány s 820 A VE-Trac Direct IGBT (rovněž od firmy onsemi). Simulace v návrhu trakčního střídače ukázaly následující výsledky:
- Pro napětí na DC sběrnici 450 V a s dodávkou energie při 550 Arms na spínacím kmitočtu 10 kHz činila teplota přechodu Tvj u modulů SiC +111 °C, což bylo při stejném chlazení oproti IGBT s jeho +142 °C o 21 % méně.
- Ve srovnání s IGBT byly obvyklé ztráty při spínání u NVXR17S90M2SPB menší o 34,5 % a v případě NVXR22S90M2SPB pak o 16,3 %.
- Celkové ztráty byly u plného návrhu trakčního střídače s využitím NVXR17S90M2SPB nižší o více než 40 %, zatímco u NVXR22S90M2SPB jsme v porovnání s řešením využívajícím tranzistorů IGBT pozorovali snížení výkonové ztráty až o 25 %.
Zmíněná vylepšení zde sice souvisí s trakčním střídačem, nicméně se dále rovněž podílí na vzestupu účinnosti o 5 %, pokud jde o celkové vlastnosti EV, takže se nám stejnou měrou prodlouží i dojezd. EV s 100kW baterií nabízí kupříkladu dojezd 500 km a nyní s přispěním trakčního střídače navrženého s napájecími moduly EliteSiC od firmy onsemi zvládne až 525 km. A co je podstatné, cena za SiC může být u takového trakčního střídače také o 5 % nižší, než je tomu v případě křemíkových IGBT.
Vyšší výkon SiC oproti IGBT podobné velikosti
Firma onsemi nabízí pro výrobce OEM zvažující přechod z tranzistorů IGBT moduly SiC v odpovídajícím fyzickém provedení, které zde umožňuje snadnější zapracování, zatímco takovou implementaci dále zjednoduší bez nutnosti jakýchkoli změn ve výrobním procesu. Vývojáři mohou navíc za stejné teploty přechodu výhodně počítat i s rostoucími výkony. NVXR17S90M2SPB kupříkladu zvládá 760 Arms. Ve srovnání s tranzistory IGBT a „pouhými“ 590 Arms to bude poplatně Tvj = +150 ºC znamenat nárůst výkonu o 29 %. Firma onsemi nadto u čipů SiC postupuje způsobem znázorněným na obr. 2, čímž mezi přechodem u součástky a chladivem dosahuje až o 20 % nižšího tepelného odporu (Rth pro „junction − fluid“ zde činí 0,08 ºC/W).
Pouzdření (transfer-molded) využívající moderních technologií pro vzájemné propojení u zmíněných modulů dále přispívá k jejich vysoké hustotě výkonu a nabízí též i nízké parazitní indukčnosti, tedy předpoklady, které jsou nezbytné pro efektivní spínání při vysokých rychlostech. S vyšší frekvencí spínání se přitom v systému mohou pojit i menší velikosti a také hmotnost některých pasivních součástek. Ale nejen to. Popsaný způsob pouzdření s volbou provozní teploty až do +200 ºC pro výrobce OEM zjednodušuje požadavky na chlazení, takže mohou za účelem řízení teploty eventuálně používat i menší čerpadla.
Obr. 2 Způsob zapouzdření prvků SiC od firmy onsemi se pyšní prvotřídně nízkým tepelným odporem
Přechod na SiC dává smysl. Nejen pro trakční střídače
Napětí baterie u EV roste a elektrické proudy lze dále snižovat, přičemž na výstupu dosáhneme stejného výkonu. Na systémové úrovni se pak snižuje i tloušťka kabelů používaných v automobilech. Přechod na karbid křemíku zde proto bude dávat stále větší smysl. Takové součástky oproti tradičním křemíkovým prvkům produkují méně tepla, zatímco nahrávají ještě větším hustotám výkonu – a to nejen u trakčních střídačů, ale i v rámci širší architektury EV.
Starosti OEM s napájením vyřeší onsemi
Společnost onsemi hodně investovala při vytváření dodavatelského řetězce pro vyspělé a plně integrované technologie SiC, včetně souvisejícího ekosystému, což dále zahrnuje i „wafering epitaxy“ a 150mm výrobu (v plánu je též 200 mm), pokud jde o diskrétní součástky, integrované obvody, moduly či aplikace a jejich referenční návrhy. Se zkušenostmi sbíranými ve výrobě po dobu deseti let může proto firma onsemi přinést mimořádné záruky, takže se jakékoli obavy výrobců OEM z oblasti automobilového průmyslu spojené s přechodem na SiC nakonec rozptýlí.
Odkazy:
