Silikonkarbid ist zu einem der wichtigsten Halbleitermaterialien in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen geworden.Elektromotor oder Fahrzeugkörper.

Stattdessen,mit einer Breite von nicht mehr als 20 mmDiese Geräte steuern und wandeln Hochspannungsstrom im Fahrzeug um.

Zu den wichtigsten Anwendungen im Automobilbereich gehören Traktionsumrichter, Bordladegeräte, Hochspannungs-Gleichspannungs-Gleichspannungsumrichter und ausgewählte Hilfsnetzwerke.SiC ist auch in der Ladeinfrastruktur immer wichtiger.

Schnelle Übersicht über SiC-Anwendungen in Elektrofahrzeugen

Die Stromströmung in einem Elektrofahrzeug verstehen

Eine Elektrofahrzeug-Traktionsbatterie liefert Gleichstrom, während der Antriebsmotor normalerweise einen geregelten Wechselstrom benötigt.Regenerative Bremsung und Versorgung mit Niederspannungselektronik erfordern alle, dass Strom zwischen verschiedenen Spannungen und Formen umgewandelt wird.

Diese Umwandlungen werden durch Leistungselektronik durchgeführt.

Bei herkömmlichen Elektrofahrzeugen werden üblicherweise Silizium-IGBTs, Silizium-MOSFETs und Siliziumdioden verwendet.Niederspannungsbetrieb und etablierte Fertigung sind die wichtigsten Prioritäten.

Mit zunehmender Fahrzeugspannung und -leistung werden jedoch Schaltverluste, Wärmeerzeugung und Komponentengröße wichtiger.

1. Traktionsumrichter: Die wichtigste SiC-Anwendung in einem EV

Der Traktionsumrichter ist derzeit die wichtigste Anwendung von Siliziumcarbid im Automobilbereich.

Während der Beschleunigung wandelt der Wechselrichter Gleichstrom aus der Traktionsbatterie in dreiphasigen Wechselstrom für den Motor um.

Bei der regenerativen Bremsung wird der Umwandlungsprozess umgekehrt durchgeführt.

Da der Traktionsumrichter wiederholt hohe Spannungen und große Ströme umschaltet, kann er erhebliche Leitungs- und Schaltverluste verursachen.Aber ihr Schaltverhalten kann die Effizienz bei höheren Betriebsfrequenzen einschränken.

SiC-MOSFETs können Folgendes liefern:

• Niedrigere Umschaltverluste
• Verringerte Verluste im Zusammenhang mit der Rückforderung
• Höhere Schaltfrequenzen
• Hochspannungsfähigkeit
• Niedrigere Kühlanforderungen in einer optimierten Anlage
• Erhöhte Leistungsdichte des Wechselrichters
• Mögliche Verringerung von Invertergröße und -gewicht

Die tatsächliche Effizienzsteigerung hängt von der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Motorlast, der Schaltstrategie, der Kühlkonstruktion und dem Antriebszyklus ab.aber die Verringerung der Inverterverluste kann die Gesamtenergieverwertung verbessern.

Der Vorteil ist häufig besonders wertvoll bei Teillastbetrieb, Fahrt auf der Autobahn und anderen Bedingungen, in denen die Leistungselektronikwirkung einen starken Einfluss auf den Gesamtverbrauch des Fahrzeugs hat.

2- Ein Ladegerät an Bord.

Das eingebaute Ladegerät (OBC) wandelt den externen Wechselstrom in kontrollierten Gleichstrom um, um die Traktionsbatterie aufzuladen.

Zu den Leistungsumwandlungsstufen gehören:

• Wechselstrom-Eingangsfilterung
• Leistungsfaktorkorrektur
• Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom
• Isolierte oder nicht isolierte Gleichstrom-Gleichstrom-Umwandlung
• Regulierung der Batteriespannung und -strömung

SiC-MOSFETs und SiC-Schottky-Dioden können in den Leistungsfaktorkorrektur- und Gleichspannungsstufen eingesetzt werden.mit einer Leistung von mehr als 100 W.

Zu den möglichen Vorteilen für OBC gehören:

• Höhere Umwandlungseffizienz
• Verringerte Wärmeerzeugung
• Kleinere magnetische Komponenten
• Höhere Leistungsdichte
• geringeres Systemgewicht
• Verbesserte Eignung für Hochvoltbatterien

Die zweiseitigen Bordladegeräte können auch Fahrzeug-Netz-, Fahrzeug-Zuhause- oder Fahrzeug-zu-Lastbetrieb unterstützen.Diese Funktionen erfordern eine effiziente bidirektionale Energieumwandlung und stellen eine weitere mögliche Anwendung für SiC-Schalter dar.

Die Auswahl der Bauteile hängt jedoch immer noch von der Ladeleistung, der Schalttopologie, der Spannung, den thermischen Anforderungen und den Zielkosten ab.

3. Hochspannungs-Gleichspannungs-Gleichspannungsumrichter

Ein Elektrofahrzeug umfasst in der Regel sowohl Hoch- als auch Niederspannungssystemen.

Die Traktionsbatterie kann mit mehreren hundert Volt betrieben werden, während Beleuchtung, Infotainment, Sensoren, Steuerungen und andere Elektronik üblicherweise mit einem 12 V- oder 48 V-System betrieben werden.

Der Hochspannungs-Gleichspannungs-Gleichspannungswandler senkt die Zugbatterie-Spannung auf die erforderliche Niederspannung.

SiC-Geräte können in Hochleistungs-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern eingesetzt werden, um eine effiziente Schaltung zu ermöglichen und die Systemgröße zu reduzieren.mit einer Breite von mehr als 20 mm,.

Nicht jeder DC-DC-Wandler im Automobilbereich benötigt SiC. Silizium-MOSFETs können für Niederleistungs- oder Niederspannungsstufen wirtschaftlicher bleiben.Der Wert von SiC steigt, wenn der Umrichter mit hoher Eingangsspannung umgehen muss, hohe Leistung und anspruchsvolle thermische Bedingungen.

4. Elektrische Klimaanlage-Kompressor

Im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor kann ein Elektrofahrzeug nicht von der Abwärme des Motors abhängen, um alle Anforderungen an die Kabinen- und Batterietemperatur zu erfüllen.Kühlmittelpumpen und Hochspannungsheizungen spielen daher eine wichtige Rolle bei der thermischen Steuerung von Fahrzeugen..

Ein elektrischer Klimaanlage-Kompressor besteht aus einem Motor und einem Wechselrichter, der den Motor steuert.SiC-MOSFETs können in ausgewählten Hochspannungskompressorumrichtern verwendet werden, um Stromverluste zu reduzieren und die Leistung bei hohen Temperaturen zu verbessern.

Zu den möglichen Vorteilen gehören:

• Verbesserte Kompressorantriebseffizienz
• Niedrigere Wärmeerzeugung durch Wechselrichter
• Kompaktere Leistungselektronik
• Verbesserte Kompatibilität mit Hochspannungsarchitekturen

Die Anwendung ist weniger universell als der Traktionsumrichter. Ob SiC wirtschaftlich gerechtfertigt ist, hängt von Kompressorleistung, Betriebsspannung, thermischer Konstruktion und erwarteten Effizienzsteigerungen ab.

5. Hochspannungsheizungen und Hilfssysteme

SiC-Leistungseinrichtungen können auch in ausgewählten Hochspannungshilfssystemen enthalten sein, einschließlich:

• Steuerungen für PTC-Heizungen
• Elektrische Leistungssysteme für Wärmepumpen
• Elektrische Kühlmittelpumpen
• Elektrische Ölpumpen
• mit einer Leistung von mehr als 1000 W
• Hilfsantriebe
• Schaltanlagen für den Betrieb mit Schaltanlagen
• Elektrische Sicherungen
• Zweiwege-Leistungsmodule
• Hochspannungsverteilereinheiten

SiC wird häufiger ausgewählt, wenn hohe Spannung, hohe Schaltfrequenz,Kompakte Verpackung oder geringere Kühlanforderungen rechtfertigen die zusätzlichen Gerätekosten.

6Gleichstrom-Schnellladegeräte

Ein Gleichstrom-Schnellladegerät ist nicht im Fahrzeug installiert, ist aber ein wichtiger Bestandteil des Elektrofahrzeug-Energie-Ökosystems.

Schnelle Ladegeräte wandeln Stromwechsel in geregelte Hochspannung DC um, die direkt an die Traktionsbatterie geleitet wird.die Umwandlungsmodule müssen höhere Spannungen bewältigen, Ströme und thermische Belastungen.

SiC-MOSFETs und Dioden können Lademodule dabei unterstützen,

• Höhere Leistungsumwandlungseffizienz
• Verringerte Umschaltverluste
• Höhere Schaltfrequenzen
• Kleinere Leistungsmodule
• geringerer Kühlbedarf
• Höhere Ausgangsleistung innerhalb eines begrenzten Schrankvolumens

Die Verwendung von SiC bestimmt nicht unabhängig voneinander die Ladegeschwindigkeit. Die maximale Ladegeschwindigkeit hängt auch von der Fahrzeugbatterie, dem Ladezustand, der Batterie­temperatur, dem Ladeprotokoll,Kapazität der Kabel und Strategie für das thermische Management.

Warum ist SiC für 800-Volt-EV-Plattformen wichtig?

Die Erhöhung der Batteriesystemspannung ermöglicht es einem Fahrzeug, die gleiche Leistung bei einem niedrigeren Strom zu übertragen.

Ein niedrigerer Strom kann Widerstandsverluste in Kabeln, Busstangen und elektrischen Verbindungen reduzieren und eine höhere Ladeleistung unterstützen, ohne dass eine übermäßige Erhöhung der Leitergröße erforderlich ist.

Eine höhere Systemspannung stellt jedoch höhere Anforderungen an:

• Halbleiter-Ausfallspannung
• Schaltleistung
• Elektrische Isolierung
• Verpackungsmaterialien
• Schleiffläche und Freifläche
• Kühl- und Schutzsysteme

Siliziumkarbid hat ein viel höheres kritisches elektrisches Feld als Silizium. Es kann daher Hochspannungs-Leistungsgeräte mit relativ geringen Schalt- und Leitungsverlusten unterstützen.

Dies macht SiC besonders attraktiv für 800-V-Traktionsumrichter, Bordladegeräte und Gleichspannungs-Gleichspannungsumrichter.Dies ist einer der Gründe, warum die Einführung von SiC oft mit Hochspannungs- und Hochleistungsfahrzeugplattformen beginnt.

Welche Formen von Siliziumkarbid befinden sich in einem Fahrzeug?

Eine Roh-SiC-Wafer wird normalerweise nicht direkt in ein Elektrofahrzeug eingebaut, sondern muss mehrere Fertigungsstufen durchlaufen.

1. SiC-Kristallwachstum

Das hochreine SiC-Quellmaterial wird bei extrem hohen Temperaturen verarbeitet, um eine SiC-Kugel mit einem Kristall zu erzeugen.

2. Substratherstellung

Die Kugel wird ausgerichtet, geschnitten, gemahlen, poliert und gereinigt, um SiC-Substrate zu produzieren.

3Epitaxial Wachstum

Auf dem polierten Substrat wird eine kontrollierte SiC-Epitaxialschicht angebaut, deren Dicke und Doping entsprechend der erforderlichen Gerätespannung und elektrischen Leistung bestimmt werden.

4Herstellung von Geräten

Halbleiterprozesse auf Waferebene erzeugen SiC-MOSFETs, Schottky-Dioden oder andere Leistungseinrichtungen.

5Verpackung und Montage von Modulen

Die Geräte werden zerlegt, elektrisch angeschlossen und in getrennte Pakete oder Leistungsmodule zusammengebaut.mit einer Leistung von mehr als 50 W und.

6. Automobil-Systemintegration

Die verpackten Geräte oder Module sind in den Wechselrichter, Ladegerät oder Konverter integriert.Kühlsysteme und Steuerungssoftware müssen alle für das elektrische Verhalten von SiC optimiert werden.

Warum verbessert SiC die Elektroelektronik von Elektrofahrzeugen?

Niedrigerer Umschaltverlust

SiC-MOSFETs können in vielen Hochspannungsanwendungen effizienter schalten als Silizium-IGBTs.

Höhere Schaltfrequenz

Eine höhere Betriebsfrequenz kann die Größe ausgewählter Transformatoren, Induktoren und Kondensatoren verringern.Eine höhere Frequenz erhöht auch die Bedeutung von elektromagnetischen Störungen und der Steuerung der Schaltkreise..

Hochtemperaturfähigkeit

Die breite Bandbreite von SiC unterstützt den Betrieb unter anspruchsvolleren Temperaturbedingungen.Gate-Treiber und Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Systems.

Höhere Leistungsdichte

Weniger Verlust und höhere Schaltfrequenz ermöglichen es, mehr Leistung in einem kleineren Volumen zu verarbeiten, wenn das komplette System entsprechend konzipiert ist.

Hochspannungsleistung

SiC eignet sich gut für die Spannungsklassen, die in modernen Elektrofahrzeug-Traktions- und Ladesystemen, insbesondere Hochspannungsplattformen, verwendet werden.

Vergrößert SiC immer die Reichweite von Elektrofahrzeugen?

SiC kann die Verluste bei der Leistungsumwandlung reduzieren, aber es gibt keinen universellen Prozentsatz, um den es die Reichweite des Fahrzeugs erhöht.

Das Ergebnis hängt davon ab:

• Batteriespannung und -kapazität
• Motoreffizienz
• Topologie des Inverters
• Fahrgeschwindigkeit
• Fahrzeugmasse und Aerodynamik
• Umgebungstemperatur
• Konstruktion der Kühlsysteme
• Kontrollstrategie
• Städtischer Fahrzyklus oder Fahrzyklus auf der Autobahn

Die Hersteller können den Effizienzvorteil auf verschiedene Weise nutzen: Eine Konstruktion kann die Reichweite verlängern, während eine andere die Batteriekapazität reduzieren kann,Verringerung der Größe des Kühlsystems oder Erhöhung der Fahrzeugleistung.

SiC sollte daher auf Systemebene bewertet werden und nicht nur durch den Vergleich einzelner Halbleiterspezifikationen.

Warum wird SiC nicht in allen Kraftkomponenten von Elektrofahrzeugen verwendet?

Siliziumkarbid bietet eine hohe Leistungsfähigkeit, stellt aber auch technische und kommerzielle Herausforderungen dar.

Höhere Material- und Gerätekosten

Das Wachstum von SiC-Kristallen und die Waferverarbeitung sind schwieriger als die herkömmliche Siliziumherstellung, was zu höheren Substrat- und Gerätekosten beiträgt.

Kontrolle von Kristall- und Oberflächenfehlern

Mikropipes, Verrutschungen, Stapelfehler, Oberflächenschabblöcke und Untergrundschäden können das epitaxiale Wachstum und die Leistung des Geräts beeinträchtigen.Anwendungen im Automobilbereich erfordern eine strenge Materialkonsistenz und Rückverfolgbarkeit.

Anforderungen an den Torbetreiber

SiC-MOSFETs wechseln schnell und erfordern sorgfältig gestaltete Gate-Treiber, Schutzschaltkreise und Schaltsteuerung.

Parasitische Induktivität

Schnelle Strom- und Spannungsübergänge machen das Modullayout, die Busbar-Konstruktion und die Paketinduktivität besonders wichtig.

Elektromagnetische Störungen

Höhere Schaltgeschwindigkeiten können zu Problemen bei der elektromagnetischen Kompatibilität führen, wenn das gesamte Stromversorgungssystem nicht ordnungsgemäß konzipiert ist.

Schutz vor Kurzschluss

SiC-Geräte benötigen je nach Gerät und Systemdesign möglicherweise eine schnellere Fehlererkennung und -schutz als herkömmliche Silizium-IGBTs.

Bei niedrigeren Spannungs- oder kostensensitiven Systemen bieten Silizium-MOSFETs und IGBTs möglicherweise immer noch die beste Balance zwischen Leistung, Reife und Kosten.

Auswahl von SiC-Substraten für die Entwicklung von Kraftfahrzeugen

Die Qualität des SiC-Substrats beeinflusst direkt das epitaxiale Wachstum und die Herstellung von Geräten.Käufer sollten mehr als Waferdurchmesser und -stärke angeben.

Zu den wichtigen RFQ-Parametern gehören:

• Polytyp, üblicherweise 4H-SiC
• Leitungstyp
• Dopant- und Widerstandsbereich
• Waferdurchmesser
• Kristallorientierung
• Winkel und Richtung außerhalb der Achse
• Si- oder C-Gesicht
• Nenndicke und Toleranz
• Gesamtdickenvariation
• Bogen und Warp
• Einseitige oder zweiseitige Polierung
• Oberflächenrauheit
• Anforderungen an Mikropipen und Verlagerungen
• Grenzwerte für Oberflächenfehler
• Grenz-, Flach- oder Kerbe-Spezifikation
• Identifizierung der Wafer und Rückverfolgbarkeit der Charge
• Prüfbescheinigung und Anforderungen an die Waferkarte
• Reinigungs- und Verpackungsanforderungen

Forschungswaffen, Scheinwaffen und Substrate für Geräte sollten nicht als austauschbare Materialien betrachtet werden.Anforderungen an die Kalibrierung der Ausrüstung oder die Produktion der Vorrichtung.

Schlussfolgerung

Silikonkarbid wird hauptsächlich in Hochspannungs-Leistungsumwandlungssystemen von Elektrofahrzeugen eingesetzt.Hochspannungs-Gleichspannungs-Gleichspannungsumrichter und ausgewählte Wärmemanagementsysteme oder Hilfsnetzsysteme.

SiC-Geräte fungieren als schnelle elektronische Schalter. Sie speichern keine Energie und fahren das Fahrzeug nicht direkt mechanisch an. Stattdessen steuern sie, wie sich elektrische Energie zwischen Batterie, Motor,Ladevorgang und Fahrzeugelektronik.

Durch den geringeren Schaltverlust, die hohe Spannungsfähigkeit und das Potenzial für eine höhere Leistungsdichte sind sie besonders attraktiv für Hochleistungs- und 800-V-Elektrofahrzeuge.Der endgültige Wert hängt von der vollständigen Systemkonstruktion ab., einschließlich Verpackung, Torbetrieb, Kühlung, Schutz und elektromagnetische Kompatibilität.

Da sich Elektrofahrzeuge weiter in Richtung höherer Spannung, schnellerer Ladezeit und kompakterer Leistungselektronik bewegen,Silikonkarbid wird voraussichtlich neben herkömmlichen Siliziumgeräten eine immer wichtigere Rolle spielen..