シリコンカービッドは電動車両の電源電子機器における最も重要な半導体材料の1つになりました.しかし,SiCは通常バッテリーセルを製造するために使用されません.電動モーターまたは車両の車体.

その代わりにシリコンカービッドのウエフラーSiC MOSFET や SiC スコットキーバリアダイオードなどの電源半導体装置に処理されます.これらの装置は車両内の高電圧電気を制御し変換します.

主な自動車用途には,牽引インバーター,搭載充電器,高電圧DC-DC変換機,選択された補助電源システムが含まれます.SiCは充電インフラストラクチャでもますます重要になっています.

電気自動車におけるSiCの応用の簡単な概要

電気 車 の 内 の 電力 流 流 を 理解 する

電気自動車の牽引電池は 直流を供給しますが 推進モーターは 通常 制御された交流電流を必要とします復元式ブレーキと低電圧電子機器の供給は,すべて異なる電圧と形式の間に電気を変換する必要があります.

これらの変換は電源電子システムによって行われます.

伝統的な電気自動車は,通常,シリコンIGBT,シリコンMOSFETおよびシリコン二極管を使用します.これらのデバイスは,特にコストが高く,低電圧操作と確立された製造が主な優先事項です.

しかし,車両の電圧と電力が増加するにつれて,スイッチ損失,熱発生,部品サイズがより重要になります.ここでは,広帯域SiCデバイスが重要な利点を提供します.

1トラクションインバーター:EVにおける最も重要なSiCアプリケーション

トラクションインバーターは,現在, silicium carbide の最も重要な自動車アプリケーションです.

加速中に,インバーターは牽引電池からの直流電力をモーターのための三相交流電気に変換する.また,モーターの速度とトルクを制御する.

リゲネレーションブレーキでは,変換プロセスは逆方向に動作する.モーターによって生成される電力はDCに変換され,バッテリーに戻される.

トラクションインバータが高電圧と大電流を繰り返し切り替えるため,かなりの伝導と切り替える損失を生むことができます.従来のシリコンIGBTは成熟し信頼性があります.しかし,より高い動作周波数で効率を制限することができます..

SiC MOSFETは以下のようなものを提供できる:

• 切替損失が低い
• 負債の負債の負債と負債の負債の負債の負債の負債
• 高周波のスイッチ
• 高電圧能力
• 最適化されたシステムで冷却の要求を低くする
• インバーター電力の密度増加
• インバーターサイズと重量の潜在的な削減

実際の効率向上は,車両の速度,モーターの負荷,切り替え戦略,冷却設計,駆動サイクルに依存します.SiCは,走行距離を固定的に増加させる保証ではありません.しかし,インバーター損失を減らすことは,全体的なエネルギー利用を改善することができます.

このメリットは,部分負荷での運転,高速道路での運転,および電源電子機器の効率が車両総消費量に影響を及ぼす他の条件では,しばしば特に価値があります.

2搭載チャージャー

搭載された充電器 (OBC) は,外部の交流電力を制御された直流電気に変換し,牽引電池を充電します.

その電力の変換段階には以下のものがある.

• AC入力フィルタリング
• 功率因子調整
• ACからDCへの変換
• 隔離されたまたは隔離されていない DC-DC 変換
• バッテリーの電圧と電流の調節

SiC MOSFET と SiC Schottky ダイオード は,電源因子 調整 と DC-DC 段階 で 用いる こと が でき ます.それらの 高周波 切り替え 能力 に よっ て,エンジニア は 特定の トランスフォーマー の サイズ を 減らす こと が でき ます.インダクタとコンデンサ.

OBC の 潜在 的 な 利益 は 次 の よう です.

• より高い変換効率
• 低温発電
• 小型の磁気部品
• より高い電力の密度
• 低システム重量
• 高電圧電池への適性向上

双方向の搭載充電器は,車両からネットワーク,車両から家庭,または車両から負荷への操作もサポートすることができる.これらの機能は効率的な二方向エネルギー変換を必要とし,SiCスイッチの別の潜在的なアプリケーションを代表します.

しかし,部品の選択は依然として充電器の電源,スイッチトポロジー,電圧,熱要求,目標コストに依存している.

3高電圧DC-DC変換器

電気自動車には通常,高電圧と低電圧の両方の電気システムがあります.

トラクション電池は数百ボルトで動作し,照明,インフォテインメント,センサー,コントローラー,その他の電子機器は通常12Vまたは48Vシステムから動作する.

高電圧DC-DCコンバータは,牽引電池の電圧を必要な低電圧に低下させる.また,車両の電子機器を供給し,低電圧電池を充電する.

SiC装置は,高出力DC-DC変換器で効率的なスイッチングを提供し,システムのサイズを削減するために使用され得る.それらの性能は,より高いスイッチング周波数をサポートすることができる.磁気部品のサイズを小さくする.

すべての自動車DC-DCコンバーターはSiCを必要としない.シリコンMOSFETは低電力または低電圧段階ではより経済的に残る可能性があります.SiCの値は,コンバーターが高い入力電圧に対応しなければならないとき増加高い電力と高温条件です

4電動空調コンプレッサー

電気コンプレッサー,熱ポンプ,電池,電池,電池,電池,電池,電池などしたがって,冷却液ポンプと高圧ヒーターは,車両の熱管理において重要な役割を果たします..

電動空調コンプレッサーにはモーターとモーターを制御するインバーターが含まれます.SiC MOSFET は,選択された高電圧圧圧縮器インバーターで,電力の損失を削減し,高温性能を改善するために使用することができる..

可能性のある利点は以下の通りです.

• コンプレッサー駆動効率の向上
• 低インバーター熱発生
• よりコンパクトなパワー電子機器
• 高電圧アーキテクチャとの互換性が向上

SiCが経済的に正当化されるかどうかは,圧縮器の電力,稼働電圧,熱設計,期待される効率向上に依存する.

5高電圧ヒーターと補助システム

SiC電源装置は,以下を含む,選択された高圧補助システムにも登場することがあります.

• PTCヒーターの制御装置
• 熱ポンプの電源電子機器
• 電動冷却液ポンプ
• 電動オイルポンプ
• 燃料電池式空気圧縮機
• 補助モーター駆動装置
• 固体断路機
• 電子ファイューズ
• 双方向電源モジュール
• 高電圧配送装置

SiCは,高電圧,高周波のスイッチ,コンパクトなパッケージや冷却の必要性の低さにより,デバイスの追加コストが正当化される.

6DC 急速充電装置

DCの急速充電器は車内に設置されていませんが,EVのエネルギーエコシステムの重要な部分です.

快速充電器は電源を電源電池に直接送る 高電圧の直流に変換します変換モジュールは,より高い電圧に対応しなければならない.電流と熱負荷

SiC MOSFETsとダイオードは,充電モジュールの達成に役立ちます.

• 電力変換効率の向上
• 切替損失を減らす
• 高周波のスイッチ
• 小型の電源モジュール
• 低冷却需要
• 限られたキャビネット容量内でのより高い出力

SiC の使用は,独立して充電速度を決定しません. 最大充電速度は,車両のバッテリー,充電状態,バッテリー温度,充電プロトコル,ケーブル容量と熱管理戦略.

なぜSiCは800V電動プラットフォームにとって重要なのか?

バッテリー・システムの電圧を増加させると,車両は同じ電力を低電流で送ることができます.

低電流は,ケーブル,バスバー,電気接続の抵抗損失を軽減し,電導体の大きさを過剰に増加させずに,より高い充電力をサポートすることもできます.

しかし,より高いシステム電圧により,以下に要求される電圧はより高い:

• 半導体の断熱電圧
• スイッチング性能
• 電気隔熱
• 包装材料
• クリーページとクリアランス距離
• 冷却・保護システム

シリコンカービッドは,シリコンよりもはるかに高い臨界電場を持っています.したがって,比較的低いスイッチと導電損失を持つ高電圧電源装置をサポートすることができます.

これは,SiCを800V級引力インバーター,搭載充電器,DC-DC変換機に特に魅力的にしています.SiCの導入は高電圧および高性能車両プラットフォームから始まります.

自動車 に 装着 さ れ て いる シリコン カーバイド の 種類 は 何 です か

電気自動車に直接 SiC ワッフルを設置することは通常ありません.いくつかの製造段階を通過する必要があります.

1シリコン・クリスタル成長

高純度SiC原材料は非常に高温で処理され,単結晶SiCボールを生産する.

2材料製造

球は SiC 基板を生産するために,向き,切断,磨き,磨き,清掃される.自動車電源装置では,電導性 4H-SiC が一般的に使用される.

3エピタキシアル成長

ポリッシュされた基板に制御されたSiC上位軸層が育てられ,その厚さとドーピングは,必要なデバイス電圧と電気性能に応じて設計されます.

4装置の製造

ウェーファーレベルの半導体プロセスは SiC MOSFET,シュトキー二極管,その他の電源装置を作成します.

5パッケージとモジュール組成

装置は,切断され,電気的に接続され,分離されたパッケージまたは電源モジュールに組み立てられます.完成したモジュールは,半導体模具,金属導体,セラミック基板,ベースプレートと冷却インターフェース.

6自動車システム統合

ゲートドライバ,バスバー,コンデンサー,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源,電源冷却システムと制御ソフトウェアは,すべてSiCの電気行動に最適化されなければならない..

なぜ SiC は EV の電源電子機器を改良するのでしょうか?

スイッチング 損失 低

SiC MOSFETは,多くの高電圧アプリケーションでシリコンIGBTよりも効率的にスイッチすることができます.より低いスイッチ損失は,無駄なエネルギーと熱発生を減らすことができます.

高いスイッチング周波数

高い稼働周波数は,選択されたトランスフォーマー,インダクタ,コンデンサのサイズを減らすことができます.しかし,電気磁気干渉と回路のレイアウト制御の重要性を高めます.

高温対応能力

SiC の広い帯域は,より厳しい温度条件下で動作することをサポートします.実用的な最大温度は,まだパッケージ,相互接続,ゲートドライバーとシステム信頼性要件.

より高い電力密度

低負荷と高いスイッチ周波数は,全システムが適切に設計された場合,より少ない容量内でより多くの電力を処理できるようにします.

高電圧性能

SiCは,特に高圧プラットフォームでは,現代のEVの牽引と充電システムで使用される電圧クラスに適しています.

電気自動車の走行距離を SiC は常に高めますか?

SiCは電源変換損失を減らすことができますが 車両の走行距離を増加させる普遍的な割合はありません

結果は次のことに依存します.

• バッテリーの電圧と容量
• モーター効率
• インバーター・トポロジー
• 運転速度
• 車両の質量と空力学
• 環境温度
• 冷却システムの設計
• 制御戦略
• 都市または高速道路での運転サイクル

製造者は,効率の利点を異なる方法で利用することができる.あるデザインは走行距離を拡大し,別のデザインはバッテリー容量を減らすことができる.冷却システムのサイズを小さくしたり,車両の性能を向上させたり.

したがって,SiCは,個々の半導体仕様を比較するだけでなく,システムレベルで評価されるべきである.

なぜ SiC は EV の電源部品に 使われないのか?

シリコンカービッドは優れた性能を提示しますが 技術的・商業的な課題も伴います

材料 と 装置 の 高額 な 費用

SiC結晶の成長とウエファー加工は従来のシリコン製造よりも困難である.これは基板とデバイスのコストを高めることに寄与する.

水晶と表面の欠陥制御

微小管,外転,積み重ねの欠陥,表面の傷や地下損傷は,表頭軸の成長と装置の出力を影響します.自動車用途には厳格な材料の一貫性と追跡性が求められます.

ゲート・ドライバーの要件

SiC MOSFETは迅速に切り替わり,注意深く設計されたゲートドライバ,保護回路,切り替える制御が必要です

寄生虫の誘導力

急速な電流と電圧の移行により,モジュールレイアウト,バスバー設計,パッケージ誘導性が特に重要になります.

電気磁気干渉

高速のスイッチは 電磁互換性の問題を引き起こします 完全な電源システムが適切に設計されていない場合です

短回路防止

SiCデバイスは,デバイスとシステムの設計に応じて,従来のシリコンIGBTよりもより速い故障検出と保護を必要とする場合があります.

低電圧またはコストに敏感なシステムでは,シリコンMOSFETsとIGBTsは,パフォーマンス,成熟度,コストのバランスを最も良くすることができます.

自動車用電源装置開発のためのSiC基質の選択

SiC基質の質は,直接表軸の成長とデバイスの製造に影響します. 自動車電力半導体開発のためのウエフルの調達時,バイヤーは,ウエファー直径と厚さ以上のものを指定する必要があります..

重要な RFQ パラメーターには以下の要素が含まれます.

• ポリタイプ,一般的に4H-SiC
• 導電性タイプ
• ドーパントと抵抗範囲
• ワッフル直径
• 結晶の向き
• 軸外角と方向
• Si面またはC面
• 定数厚さと許容量
• 総厚さの変化
• 弓とウォープ
• 片面または双面の磨き
• 表面の荒さ
• マイクロパイプと脱位要件
• 表面欠陥制限値
• エッジ,フラットまたはノッチの仕様
• ワッフルの識別とロット追跡性
• 分析証明書とウェーファーマップの要件
• 清掃と包装の要件

研究用ウエファー,模擬ウエファー,装置級基板は,交換可能な材料として扱われてはならない.適切なグレードは,表形,プロセス開発,装置の校正または装置の製造要件.

結論

シリコンカービッドは主に電動車の高電圧電源変換システムで使用されます.その最も重要な用途は,牽引インバーターであり,その後に搭載された充電器,高電圧直流・直流変換機と選択された熱管理システムや補助電源システム.

SiC装置は高速電子スイッチとして機能します.彼らはエネルギーを貯蔵したり,直接機械的に車を動かしたりしません.代わりに,電池,モーター,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,電池,充電入力と車両電子機器.

低スイッチ損失,高電圧能力,より高い電力の密度の可能性により,高性能および800V級の電気自動車にとって特に魅力的です.最終値は完全なシステム設計に依存します,包装,ゲート運転,冷却,保護,電磁互換性を含む.

高圧,充電速度,よりコンパクトな電力電子機器へと 移行しつつありますシリコンカービッドは従来のシリコン装置とともにますます重要な役割を果たすと予想されています.