Comment le SiC peut augmenter la portée des véhicules électriques de 5%

La demande sans cesse croissante des consommateurs, la sensibilisation croissante à l'environnement/les réglementations environnementales et un éventail plus large d'options disponibles stimulent l'adoption des véhicules électriques (VE),les rendant de plus en plus populairesUne étude récente indique que d'ici 2023, les ventes de véhicules électriques représenteront 10% des ventes mondiales d'automobiles; d'ici 2030, ce chiffre devrait augmenter à

30%; et d'ici 2035, les ventes de véhicules électriques pourraient représenter potentiellement la moitié des ventes mondiales d'automobiles.

Cependant, l'"anxiété de la portée", la crainte que le kilométrage couvert par une seule charge ne soit pas suffisant, reste un obstacle important à l'adoption généralisée des véhicules électriques.Il est essentiel de surmonter ce défi pour élargir l'autonomie du véhicule sans augmenter considérablement les coûts.

Cet article explique comment l'utilisation de transistors à effet de champ MOSFET à base de carbure de silicium (SiC) dans l'onduleur principal peut étendre la portée du véhicule électrique jusqu'à 5%.En plus, 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.

Tendances dans la conception de l'onduleur principal des véhicules électriques

L'onduleur principal (primaire) des véhicules électriques convertit la tension de la batterie à courant continu (CC) en tension de courant alternatif (AC) pour répondre aux exigences de tension CA du moteur de traction électrique,permettant de conduire le véhicule en douceurLes dernières tendances en matière de conception des onduleurs principaux comprennent:

• Augmentation de la puissance:Une puissance de sortie de l'onduleur plus élevée entraîne une accélération plus rapide du véhicule et une réponse plus rapide pour le conducteur.

• Maximiser l'efficacité:Réduire au minimum la quantité d'énergie consommée par l'onduleur pour augmenter la puissance disponible pour conduire le véhicule.

• Voltage d'élévation:Alors que les batteries de 400 V ont été la spécification la plus courante dans les véhicules électriques jusqu'à récemment, l'industrie automobile se dirige vers 800 V pour réduire le courant, l'épaisseur du câble et le poids.C'est pourquoi, l'onduleur principal des véhicules électriques doit pouvoir gérer ces tensions plus élevées et utiliser des composants appropriés.

• Réduction du poids et de la taille:SiC a une densité de puissance plus élevée (kW/kg) par rapport aux IGBT à base de silicium.Un poids réduit du véhicule contribue à élargir l'autonomie du véhicule en utilisant la même batterie tout en réduisant le volume du système de transmission et en augmentant l'espace pour les passagers et le coffre.

Avantages du SiC par rapport au silicium

Comparé au silicium, le carbure de silicium offre plusieurs avantages en termes de propriétés du matériau, ce qui en fait un choix supérieur pour les conceptions d'onduleurs principaux.avec une dureté de Mohs de 9.5 par rapport au silicium 6.5, rendant le SiC plus adapté au frittage à haute tension et assurant une plus grande intégrité mécanique.

En outre, le SiC a une conductivité thermique quatre fois supérieure à celle du silicium (1,15 W/cm.K), ce qui lui permet de dissiper efficacement la chaleur et de fonctionner de manière fiable à des températures plus élevées.La tension de décomposition du SiC (2500 kV/cm) est huit fois supérieure à celle du silicium (300 kV/cm), et possède de larges propriétés d'écart de bande, permettant une commutation plus rapide et des pertes plus faibles que le silicium,ce qui en fait un meilleur choix pour les architectures à tension croissante (800V) des véhicules électriques.

Les emballages en SiC d'Ansys offrent une résistance thermique exceptionnellement faible

Malgré les avantages évidents de SiC,Certains constructeurs automobiles ont été réticents à passer de dispositifs de commutation plus traditionnels à base de silicium comme les transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) pour une utilisation dans l'onduleur principalLes raisons pour lesquelles les OEM hésitent à adopter le SiC sont les suivantes:

• Percevoir le SiC comme une technologie immature.

• Trouver la mise en œuvre du SiC difficile.

• Le SiC n'est pas équipé d'un emballage adapté aux principales applications d'onduleur.

• En supposant que l'approvisionnement en SiC est moins pratique que les appareils à base de silicium.

• En pensant que le SiC est plus cher que les IGBT.

Alors, comment les OEM peuvent-ils être plus confiants dans l'utilisation du SiC dans les onduleurs principaux des véhicules électriques?

Renforcement de la confiance des équipementiers

La première étape pour renforcer la confiance des OEM dans l'utilisation du SiC dans les onduleurs principaux des véhicules électriques consiste à démontrer les avantages significatifs des performances qui peuvent être obtenus avec le SiC.L'auteur a utilisé un logiciel de conception de circuits pour simuler le NVXR17S90M2SPB d'Ansys (1.7mΩ Rdson) et NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V six-pack modules de puissance et a comparé leurs performances à la 820A VE-Trac Direct IGBT (également de Ansys).Les résultats de la simulation de la conception de l'onduleur principal ont montré que::

• à une fréquence de commutation de 10KHz, avec une tension de 450V de bus CC et une transmission de puissance de 550Arms,La température de jonction du module SiC (Tvj) (111°C) était inférieure de 21% à celle de l'IGBT (142°C) dans les mêmes conditions de refroidissement.

• Les pertes moyennes de commutation pour NVXR17S90M2SPB ont diminué de 34,5%, tandis que celles pour NVXR22S90M2SPB ont diminué de 16,3% par rapport à IGBT.

• Les pertes globales pour la conception complète de l'onduleur principal mis en œuvre avec NVXR17S90M2SPB ont été réduites de plus de 40% par rapport à une conception IGBT à base de silicium,et les pertes de puissance ont été réduites de 25% lors de l'utilisation de NVXR22S90M2SPB.

Bien que ces améliorations soient spécifiques à l'onduleur principal, elles peuvent améliorer l'efficacité globale des véhicules électriques de 5%, ce qui entraîne une augmentation de 5% de l'autonomie.un véhicule électrique équipé d'une batterie de 100 kW et d'une autonomie de 500 km, en utilisant un onduleur principal basé sur les modules d'alimentation EliteSiC d'Ansys, pourrait atteindre une autonomie de 525 kilomètres.le coût de mise en œuvre du SiC dans ces onduleurs principaux devrait être inférieur de 5% à celui des IGBT en silicium.

En outre, pour les OEM qui envisagent d'abandonner les IGBT,Ansys propose des modules SiC de tailles similaires pour simplifier l'intégration et démontrer une transmission de puissance accrue dans les mêmes contraintes thermiquesEn outre, les modules SiC offrent l'avantage de gérer des niveaux de puissance plus élevés à la même température de jonction.alors que l'IGBT (Tvj = 150°C) ne peut fournir que 590ArmsEn outre, Ansys lie les puces SiC directement sur des substrats de cuivre,réduire de 20% la résistance thermique entre la jonction du dispositif et le liquide de refroidissement (Rème jonction au liquide = 00,08 °C/W).

L'utilisation d'emballages moulés sous pression avec une technologie d'interconnexion avancée améliore encore la haute densité de puissance des modules SiC et ils présentent une faible inductance parasitaire,cruciale pour l'efficacité de la commutation à grande vitesseEn outre, la fréquence de commutation plus élevée peut entraîner une réduction de la taille et du poids de certains composants passifs du système.ce type d'emballage offre plusieurs options de température (jusqu'à 200°C), réduisant les exigences de gestion thermique des OEM et permettant potentiellement l'utilisation de pompes plus petites pour la gestion thermique.