Geniş bant aralıklı (WBG) yarı iletkenler ve elektrikli araçlar

Geniş bant aralıklı (WBG) yarı iletkenler, elektrikli araçlar dahil olmak üzere her türlü güç dönüşümünde uygulama bulmaktadır. Daha yüksek verimlilik ve daha hızlı anahtarlama hızlarıyla maliyet, boyut ve enerji tasarrufu vaat eden WBG cihazları, şarj cihazları ve yardımcı dönüştürücülerde yaygın olarak kullanılıyor ancak henüz traksiyon invertörlerinde IGBT'lerin yerini önemli bir miktar alabilmiş değiller. Bu makale, IGBT'lerden daha düşük kayıplara sahip olan ve yüksek sıcaklıklarda ve tekrarlayan stres altında bile kısa devrelere karşı kanıtlanmış sağlamlığı olan en son nesil SiC FET'lerin nasıl yeni invertör tasarımları için ideal olduğunu açıklıyor.

1900 yılında ABD'deki otomobillerin %38'i elektrikliydi

Evet, doğru okudunuz ve bu gerçek. 1900'deki tüm ABD otomobillerinin %38'i (33,842) elektrikle çalışıyordu, %40'ı buharla ve sadece %22'si benzinle çalışıyordu. Ancak, Henry Ford'un ucuz benzinle çalışan otomobilleri seri üretmesiyle bu yüzde dramatik bir şekilde düştü. Bugün yol üzerindeki EV'lerin yüzdesi %1'den azdır, ancak 2050 yılına kadar ABD'deki hafif hizmet araçlarının %65-75'inin elektrikle çalışacağı tahmin edilmektedir.

Modern elektrikli araçlar (EV'ler), Toyota Prius'un 1997'de Japon sokaklarına çıktığından beri büyük ölçüde gelişti. Sofistike pil ve motor teknolojileri şimdi 300 mil ve daha fazla menzil sunuyor. 2050 için tahmin edilen EV'lerin kabulü, belirli varsayımlara dayanıyor: satın alma uygunluğu; devam eden yüksek petrol fiyatları; daha sıkı sağlık ve çevre düzenlemeleri ve daha iyi menzil ve daha hızlı şarj için daha fazla teknolojik ilerleme.

Bir EV, batarya enerjisi ile tekerleklere güç arasında %59-62'lik bir dönüşüm verimliliğine sahiptir, bu da iyileştirme için biraz kapsam sağlar gibi görünüyor. Elektrik mühendisleri gözlerini devirebilir ve modern içten yanmalı motorun %21'i zorlukla başardığını belirtirler, ancak en azından yeni yarı iletken anahtarlarla EV'lerden daha iyi performans için olası bir yol haritası vardır.

Daha iyi menzilin anahtarı, güç dönüşümünün verimliliğidir. Bu sadece motor sürücü elektroniğinde değil - önemli enerji, aydınlatma, klima ve hatta bilgi-eğlence sistemleri gibi yardımcı işlevlerde kullanılır. Bu nedenle, bu alanlardan çekişi azaltmak için çok çaba harcanmıştır, örneğin, çalışma ışıkları için LED'lerin kullanılması gibi çeşitli önlemler. Ana batarya voltajını, tipik olarak bu işlevler için 400 V'den 12 V veya 24 V'ye düşüren çeşitli güç dönüştürücüler, artık en son tepolojileri ve egzotik yarı iletkenleri içerebilir ve yeni teknolojinin taşıdığı riskler, güvenlikle kritik olmayan uygulamalarla kabul edilebilir hale gelebilir.

Sürücü treni için motor kontrol elektroniği hayati öneme sahip olarak görülüyor, bu yüzden tasarımcılar 'güvende oynamak' ve denenmiş ve test edilmiş teknolojilere bağlı kalmak zorunda. Pratikte, bu 30 yıldan fazla bir süredir sağlamlıklarını kanıtlamış olan IGBT anahtarları kullanmak anlamına gelir. Örneğin, bir Tesla Model S'nin yüksek teknoloji dışında, traksiyon motorlarını kontrol eden 66 adet TO-247 paketinde IGBT bulunuyor. Aynı IGBT'ler 1980'lerin endüstriyel işlem denetleyicisinde oldukça yaygın olurdu. Daha yeni modeller yeni başladı SiC FET'leri kullanmaya.

Geniş bant aralıklı yarı iletkenler şimdi motor kontrolünde iddialı

IGBT'ler, birçok modern uygulamada, silikon MOSFET'ler ve şimdi geniş bant aralıklı (WBG) yarı iletkenler tarafından silikon karbür (SiC) ve gallium nitrit (GaN) malzemelerde yapılan yeni teknolojilerle değiştirilmiştir. Başlıca avantajları, daha hızlı anahtarlama anlamına gelen daha küçük dış bileşenlerdir, örneğin manyetikler ve kapasitörler. Kombinasyon, daha yüksek verimlilik, daha küçük boyut ve ağırlık ve dolayısıyla daha düşük genel maliyet sağlar. WBG cihazlar ayrıca yüksek sıcaklıklarda çalışır, tipik olarak SiC için 200o C ile zirve sıcaklıklarına izin verilir, cihaza bağlı olarak 600o C'nin üzerine çıkar.

SiC FET başlatıcıları ve nasıl skor aldıkları

Belirli bir tür WBG cihazı, SiC JFET ve Si MOSFET'in bir bileşimi veya 'cascode' olan SiC FET, sıfır bias ile normalde KAPALI ve nanosaniyeler içinde anahtarlama yapabilir. SiC MOSFET'ler ve GaN cihazları ile karşılaştırıldığında, sürmesi çok kolaydır ve figürün değeri, RDSA, die alanı ile normalize edilmiş ON-direnç mükemmeldir. Cihaz, dikey yapısı nedeniyle, çok düşük iç kapasitanslara sahiptir, bu da anahtarlama geçişlerini son derece düşük kayıp yapar. SiC FET, motor sürücüleri gibi uygulamalarda kayıpları azaltan çok hızlı bir vücut diyoduna sahiptir ve harici SiC Schottky Diyotlarının kullanılmasını gerektirmez.

Elektrikli araç sürücülerinde SiC FET'ler

Peki, bu mucize cihazlar daha yüksek performanslı çözümler için bir sürüş olduğunda EV motor kontrolüne neden giremiyorlar? Araba sistem tasarımcılarının doğal muhafazakarlığının dışında, bazı pratik nedenler var: bir IGBT'nin benzer derecelendirmelerle karşılaştırıldığında bir WBG cihazı pahalı olarak görülüyor; motor endüktansı DC-DC dönüştürücülerde olduğu gibi ölçeklenmez, bu da daha yüksek anahtarlama frekanslarını daha az çekici kılar; ve yüksek anahtarlama hızı, motor sargılarının yalıtımını zorlayabilecek yüksek dV/dt hızları anlamına gelir. Ayrıca, genellikle WBG cihazlarının genel olarak motor sürücünün sert koşulları altında güvenilirliği hakkında bir şüphe var: potansiyel kısa devreler, arka EMF'ler ve genel yüksek sıcaklık ortamı.

Gerçek cazibe, verimliliği artırma olasılığıdır. Bu, daha fazla kullanılabilir enerji ve daha iyi menzil anlamına gelir. Isı emiciler daha küçük olabilir, maliyet ve ağırlığı azaltır, bu da menzili uzatmaya yardımcı olur. Verimlilik, IGBT'lerin 'diz' voltajı olan ve tüm sürüş koşulları altında bulunan minimum güç kaybını etkili bir şekilde veren tipik işletim koşulları altında özellikle iyileştirilmiştir. Bu, aşağıdaki Şekil 3'te gösterilmiştir, burada iki 1cmX1cm IGBT die kullanılan 200A, 1200V IGBT modülleri ile iki 0.6 X 0.6cm SiC stack cascode die olan 200A, 1200V FETleri karşılaştırmışlar. İkincisinin ilkine göre birçok avantajı var: daha düşük kayıplar; daha düşük sıcaklıkta çalışma; daha küçük bir ısı emici gerektirir ve daha küçük boyutlar ve daha düşük maliyet anlamına gelir. Aynı güç çıkışını vermek için daha az alan gereklidir, bu da daha düşük maliyet ve daha küçük boyut anlamına gelir.