Silisyum karbür, elektrikli araç güç elektroniğinde en önemli yarı iletken malzemelerden biri haline gelmiştir. Ancak, SiC normalde pil hücreleri, elektrik motoru veya araç gövdesi üretmek için kullanılmaz.

Bunun yerine, silisyum karbür gofretleri SiC MOSFET'ler ve SiC Schottky bariyer diyotları gibi güç yarı iletken cihazlarına işlenir. Bu cihazlar, araç içindeki yüksek voltajlı elektriği kontrol eder ve dönüştürür.

Ana otomotiv uygulamaları arasında çekiş invertörleri, araç içi şarj cihazları, yüksek voltajlı DC-DC dönüştürücüler ve seçilmiş yardımcı güç sistemleri yer alır. SiC, şarj altyapısında da giderek daha önemli hale gelmektedir.

Elektrikli Araçlarda SiC Uygulamalarına Hızlı Bir Bakış

Elektrikli Bir Araçta Güç Akışını Anlamak

Bir EV çekiş bataryası doğru akım sağlar, oysa tahrik motoru normalde kontrollü alternatif akım gerektirir. Şarj etme, sürüş, rejeneratif frenleme ve düşük voltajlı elektroniklere güç sağlama, tümü elektriğin farklı voltajlar ve formlar arasında dönüştürülmesini gerektirir.

Bu dönüşümler güç elektroniği sistemleri tarafından gerçekleştirilir.

Geleneksel elektrikli araçlar yaygın olarak silikon IGBT'ler, silikon MOSFET'ler ve silikon diyotlar kullanır. Bu cihazlar, özellikle maliyet, düşük voltajlı çalışma ve yerleşik üretim ana öncelikler olduğunda birçok uygulama için uygundur.

Ancak, araç voltajı ve gücü arttıkça, anahtarlama kaybı, ısı üretimi ve bileşen boyutu daha önemli hale gelir. Geniş bant aralıklı SiC cihazlarının önemli avantajlar sağladığı yer burasıdır.

1. Çekiş İnvertörü: Bir EV'deki En Önemli SiC Uygulaması

Çekiş invertörü şu anda silisyum karbür için en önemli otomotiv uygulamasıdır.

Hızlanma sırasında, invertör çekiş bataryasından gelen DC elektriği motor için üç fazlı AC elektriğe dönüştürür. Ayrıca motor hızını ve torkunu kontrol eder.

Rejeneratif frenleme sırasında, dönüşüm süreci tersine işler. Motor tarafından üretilen elektrik DC'ye geri dönüştürülür ve bataryaya geri gönderilir.

Çekiş invertörü yüksek voltajları ve büyük akımları tekrar tekrar anahtarladığı için, önemli iletim ve anahtarlama kayıpları üretebilir. Geleneksel silikon IGBT'ler olgun ve güvenilirdir, ancak anahtarlama davranışları daha yüksek çalışma frekanslarında verimliliği sınırlayabilir.

SiC MOSFET'ler şunları sağlayabilir:

• Daha düşük anahtarlama kayıpları
• Azaltılmış ters-toparlanma ile ilgili kayıplar
• Daha yüksek anahtarlama frekansları
• Yüksek voltaj yeteneği
• Optimize edilmiş bir sistemde daha düşük soğutma gereksinimleri
• Artırılmış invertör güç yoğunluğu
• İnvertör boyutunda ve ağırlığında potansiyel azalmalar

Gerçek verimlilik artışı, araç hızı, motor yükü, anahtarlama stratejisi, soğutma tasarımı ve sürüş döngüsüne bağlıdır. SiC, sabit bir sürüş menzili artışı garanti etmez, ancak invertör kayıplarını azaltmak genel enerji kullanımını iyileştirebilir.

Fayda, özellikle kısmi yük altında çalışma, otoyol sürüşü ve güç elektroniği verimliliğinin toplam araç tüketimini güçlü bir şekilde etkilediği diğer koşullarda özellikle değerli olabilir.

2. Araç İçi Şarj Cihazı

Araç içi şarj cihazı veya OBC, çekiş bataryasını şarj etmek için harici AC elektriği kontrollü DC elektriğe dönüştürür.

Güç dönüşüm aşamaları şunları içerebilir:

• AC giriş filtreleme
• Güç faktörü düzeltme
• AC-DC dönüşümü
• İzoleli veya izoleli olmayan DC-DC dönüşümü
• Pil voltajı ve akım regülasyonu

SiC MOSFET'ler ve SiC Schottky diyotları, güç faktörü düzeltme ve DC-DC aşamalarında kullanılabilir. Yüksek frekanslı anahtarlama yetenekleri, mühendislerin belirli transformatörlerin, indüktörlerin ve kapasitörlerin boyutunu küçültmelerine olanak tanır.

Potansiyel OBC faydaları şunları içerir:

• Daha yüksek dönüşüm verimliliği
• Azaltılmış ısı üretimi
• Daha küçük manyetik bileşenler
• Daha yüksek güç yoğunluğu
• Daha düşük sistem ağırlığı
• Yüksek voltajlı bataryalar için daha iyi uygunluk

Çift yönlü araç içi şarj cihazları, araçtan şebekeye, araçtan eve veya araçtan yüke çalışmayı da destekleyebilir. Bu işlevler verimli çift yönlü enerji dönüşümü gerektirir ve SiC anahtarları için başka bir potansiyel uygulama oluşturur.

Ancak, bileşen seçimi hala şarj cihazı gücüne, anahtarlama topolojisine, voltajına, termal gereksinimlerine ve hedef maliyetine bağlıdır.

3. Yüksek Voltajlı DC-DC Dönüştürücü

Bir elektrikli araç normalde hem yüksek voltajlı hem de düşük voltajlı elektrik sistemleri içerir.

Çekiş bataryası birkaç yüz volt ile çalışabilirken, aydınlatma, eğlence, sensörler, kontrolörler ve diğer elektronikler yaygın olarak 12 V veya 48 V sisteminden çalışır.

Yüksek voltajlı DC-DC dönüştürücü, çekiş bataryası voltajını gerekli düşük voltaja düşürür. Ayrıca araç elektroniğine güç sağlar ve düşük voltajlı bataryayı şarj eder.

SiC cihazları, verimli anahtarlama sağlamak ve sistem boyutunu azaltmak için yüksek güçlü DC-DC dönüştürücülerde kullanılabilir. Performansları, manyetik bileşenlerin boyutunu küçültebilecek daha yüksek anahtarlama frekanslarını destekleyebilir.

Her otomotiv DC-DC dönüştürücüsü SiC gerektirmez. Silikon MOSFET'ler, düşük güçlü veya düşük voltajlı aşamalar için daha ekonomik olabilir. Dönüştürücünün yüksek giriş voltajı, yüksek güç ve zorlu termal koşulları işlemesi gerektiğinde SiC'nin değeri artar.

4. Elektrikli Klima Kompresörü

İçten yanmalı bir motordan farklı olarak, bir EV tüm kabin ve batarya sıcaklığı gereksinimlerini karşılamak için motor atık ısısına güvenemez. Bu nedenle, elektrikli kompresörler, ısı pompaları, soğutma sıvısı pompaları ve yüksek voltajlı ısıtıcılar, araç termal yönetiminde önemli bir rol oynar.

Elektrikli bir klima kompresörü, bir motor ve motoru kontrol eden bir invertör içerir. SiC MOSFET'ler, güç kaybını azaltmak ve yüksek sıcaklık performansını iyileştirmek için seçilmiş yüksek voltajlı kompresör invertörlerinde kullanılabilir.

Olası avantajlar şunları içerir:

• İyileştirilmiş kompresör sürücü verimliliği
• Daha düşük invertör ısı üretimi
• Daha kompakt güç elektroniği
• Yüksek voltajlı mimarilerle daha iyi uyumluluk

Uygulama, çekiş invertörü kadar evrensel değildir. SiC'nin ekonomik olarak haklı olup olmadığı, kompresör gücüne, çalışma voltajına, termal tasarıma ve beklenen verimlilik kazançlarına bağlıdır.

5. Yüksek Voltajlı Isıtıcılar ve Yardımcı Sistemler

SiC güç cihazları, seçilmiş yüksek voltajlı yardımcı sistemlerde de bulunabilir, bunlar şunları içerir:

• PTC ısıtıcı kontrolörleri
• Isı pompası güç elektroniği
• Elektrikli soğutma sıvısı pompaları
• Elektrikli yağ pompaları
• Yakıt hücresi hava kompresörleri
• Yardımcı motor sürücüleri
• Katı hal devre kesiciler
• Elektronik sigortalar
• Çift yönlü güç modülleri
• Yüksek voltajlı dağıtım üniteleri

Bu sistemlerin çoğu hala silikon cihazları kullanmaktadır. SiC'nin seçilme olasılığı daha yüksektir, yüksek voltaj, yüksek anahtarlama frekansı, kompakt paketleme veya azaltılmış soğutma gereksinimleri ek cihaz maliyetini haklı çıkardığında.

6. DC Hızlı Şarj Ekipmanları

DC hızlı şarj cihazı aracın içine monte edilmez, ancak EV güç ekosisteminin önemli bir parçasıdır.

Hızlı şarj cihazları, şebeke AC'sini düzenlenmiş yüksek voltajlı DC'ye dönüştürür, bu da doğrudan çekiş bataryasına verilir. Şarj cihazı çıkış gücü arttıkça, dönüşüm modülleri daha yüksek voltajları, akımları ve termal yükleri işlemelidir.

SiC MOSFET'ler ve diyotlar, şarj modüllerinin şunları başarmasına yardımcı olabilir:

• Daha yüksek güç dönüşüm verimliliği
• Azaltılmış anahtarlama kayıpları
• Daha yüksek anahtarlama frekansları
• Daha küçük güç modülleri
• Daha düşük soğutma talebi
• Sınırlı bir kabin hacmi içinde daha yüksek çıkış gücü

SiC kullanımı, şarj hızını bağımsız olarak belirlemez. Maksimum şarj oranı ayrıca araç bataryasına, şarj durumuna, batarya sıcaklığına, şarj protokolüne, kablo kapasitesine ve termal yönetim stratejisine bağlıdır.

SiC Neden 800 V EV Platformları İçin Önemlidir?

Batarya sistemi voltajını artırmak, bir aracın aynı gücü daha düşük bir akımda iletmesini sağlar.

Daha düşük akım, kablolarda, bara hatlarında ve elektrik bağlantılarında direnç kayıplarını azaltabilir. Ayrıca aşırı bir iletken boyutu artışı gerektirmeden daha yüksek şarj gücünü destekleyebilir.

Ancak, daha yüksek bir sistem voltajı şunlar için daha zorlu gereksinimler getirir:

• Yarı iletken kırılma voltajı
• Anahtarlama performansı
• Elektriksel yalıtım
• Paketleme malzemeleri
• Sızma ve boşluk mesafeleri
• Soğutma ve koruma sistemleri

Silisyum karbür, silikona göre çok daha yüksek bir kritik elektrik alanına sahiptir. Bu nedenle, nispeten düşük anahtarlama ve iletim kayıplarıyla yüksek voltajlı güç cihazlarını destekleyebilir.

Bu, SiC'yi özellikle 800 V sınıfı çekiş invertörleri, araç içi şarj cihazları ve DC-DC dönüştürücüler için çekici kılar. SiC benimsenmesinin genellikle yüksek voltajlı ve yüksek performanslı araç platformlarıyla başladığı nedenlerden biridir.

Bir Araca Hangi Formlarda Silisyum Karbür Takılır?

Ham bir SiC gofret normalde bir elektrikli araca doğrudan takılmaz. Birkaç üretim aşamasından geçmesi gerekir.

1. SiC Kristal Büyütme

Yüksek saflıkta SiC kaynak malzemesi, tek kristal SiC topu büyütmek için aşırı yüksek sıcaklıklarda işlenir.

2. Alt Tabaka Üretimi

Top, SiC alt tabakaları üretmek için yönlendirilir, dilimlenir, zımparalanır, parlatılır ve temizlenir. Otomotiv güç cihazları için, iletken 4H-SiC yaygın olarak kullanılır.

3. Epitaksiyel Büyütme

Parlatılmış alt tabaka üzerine kontrollü bir SiC epitaksiyel tabaka büyütülür. Kalınlığı ve katkı maddesi, gerekli cihaz voltajı ve elektriksel performansa göre tasarlanır.

4. Cihaz Üretimi

Gofret seviyesinde yarı iletken işlemler, SiC MOSFET'ler, Schottky diyotlar veya diğer güç cihazlarını oluşturur.

5. Paketleme ve Modül Montajı

Cihazlar kesilir, elektriksel olarak bağlanır ve ayrı paketlere veya güç modüllerine monte edilir. Bitmiş modül, yarı iletken çipleri, metal iletkenleri, seramik alt tabakaları, taban plakalarını ve soğutma arayüzlerini içerebilir.

6. Otomotiv Sistem Entegrasyonu

Paketlenmiş cihazlar veya modüller, invertöre, şarj cihazına veya dönüştürücüye entegre edilir. Kapı sürücüleri, bara hatları, kapasitörler, soğutma sistemleri ve kontrol yazılımları, SiC'nin elektriksel davranışı için optimize edilmelidir.

SiC Neden EV Güç Elektroniğini İyileştirir?

Daha Düşük Anahtarlama Kaybı

SiC MOSFET'ler, birçok yüksek voltajlı uygulamada silikon IGBT'lerden daha verimli anahtarlama yapabilir. Daha düşük anahtarlama kaybı, boşa harcanan enerjiyi ve ısı üretimini azaltır.

Daha Yüksek Anahtarlama Frekansı

Daha yüksek çalışma frekansı, seçilmiş transformatörlerin, indüktörlerin ve kapasitörlerin boyutunu azaltabilir. Ancak, daha yüksek frekans aynı zamanda elektromanyetik parazit ve devre düzeni kontrolünün önemini de artırır.

Yüksek Sıcaklık Yeteneği

SiC'nin geniş bant aralığı, daha zorlu sıcaklık koşullarında çalışmayı destekler. Pratik maksimum sıcaklık hala paketleme, ara bağlantılar, kapı sürücüleri ve sistem güvenilirlik gereksinimleriyle sınırlıdır.

Daha Yüksek Güç Yoğunluğu

Daha düşük kayıp ve daha yüksek anahtarlama frekansı, tam sistem buna göre tasarlandığında daha küçük bir hacimde daha fazla gücün işlenmesine olanak tanır.

Yüksek Voltaj Performansı

SiC, özellikle yüksek voltajlı platformlarda, modern EV çekiş ve şarj sistemlerinde kullanılan voltaj sınıfları için çok uygundur.

SiC Her Zaman EV Sürüş Menzilini Artırır mı?

SiC, güç dönüşüm kayıplarını azaltabilir, ancak araç menzilini artırdığı evrensel bir yüzde yoktur.

Sonuç şunlara bağlıdır:

• Batarya voltajı ve kapasitesi
• Motor verimliliği
• İnvertör topolojisi
• Sürüş hızı
• Araç kütlesi ve aerodinamiği
• Ortam sıcaklığı
• Soğutma sistemi tasarımı
• Kontrol stratejisi
• Şehir içi veya otoyol sürüş döngüsü

Üreticiler verimlilik faydasını farklı şekillerde kullanabilir. Bir tasarım sürüş menzilini uzatabilirken, diğeri batarya kapasitesini azaltabilir, soğutma sistemi boyutunu küçültebilir veya araç performansını artırabilir.

Bu nedenle SiC, yalnızca bireysel yarı iletken özelliklerini karşılaştırarak değil, sistem düzeyinde değerlendirilmelidir.

SiC Neden Her EV Güç Bileşeninde Kullanılmaz?

Silisyum karbür güçlü performans sunar, ancak aynı zamanda teknik ve ticari zorluklar da getirir.

Daha Yüksek Malzeme ve Cihaz Maliyeti

SiC kristal büyümesi ve gofret işleme, geleneksel silikon üretimine göre daha zordur. Bu, daha yüksek alt tabaka ve cihaz maliyetlerine katkıda bulunur.

Kristal ve Yüzey Kusuru Kontrolü

Mikro borular, dislokasyonlar, istifleme hataları, yüzey çizikleri ve yüzey altı hasarı, epitaksiyel büyümeyi ve cihaz verimini etkileyebilir. Otomotiv uygulamaları, katı malzeme tutarlılığı ve izlenebilirliği gerektirir.

Kapı Sürücüsü Gereksinimleri

SiC MOSFET'ler hızla anahtarlama yapar ve dikkatlice tasarlanmış kapı sürücüleri, koruma devreleri ve anahtarlama kontrolü gerektirir.

Parazitik Endüktans

Hızlı akım ve voltaj geçişleri, modül düzenini, bara hattı tasarımını ve paket endüktansını özellikle önemli hale getirir.

Elektromanyetik Parazit

Daha yüksek anahtarlama hızları, tam güç sistemi düzgün tasarlanmazsa elektromanyetik uyumluluk sorunları yaratabilir.

Kısa Devre Koruması

SiC cihazları, cihaza ve sistem tasarımına bağlı olarak geleneksel silikon IGBT'lerden daha hızlı hata tespiti ve koruma gerektirebilir.

Daha düşük voltajlı veya maliyet hassasiyetli sistemler için, silikon MOSFET'ler ve IGBT'ler hala performans, olgunluk ve maliyetin en iyi dengesini sağlayabilir.

Otomotiv Güç Cihazı Geliştirme İçin SiC Alt Tabakalarının Seçilmesi

SiC alt tabaka kalitesi, epitaksiyel büyümeyi ve cihaz üretimini doğrudan etkiler. Otomotiv güç yarı iletken geliştirme için gofret tedarik ederken, alıcılar gofret çapı ve kalınlığından daha fazlasını belirtmelidir.

Önemli RFQ parametreleri şunları içerir:

• Politiip, yaygın olarak 4H-SiC
• İletkenlik tipi
• Katkı maddesi ve direnç aralığı
• Gofret çapı
• Kristal oryantasyonu
• Eğik açı ve yön
• Si yüzü veya C yüzü
• Nominal kalınlık ve tolerans
• Toplam kalınlık varyasyonu
• Yay ve çarpılma
• Tek taraflı veya çift taraflı parlatma
• Yüzey pürüzlülüğü
• Mikro boru ve dislokasyon gereksinimleri
• Yüzey kusuru sınırları
• Kenar, düz veya çentik spesifikasyonu
• Gofret tanımlama ve parti izlenebilirliği
• Analiz sertifikası ve gofret haritası gereksinimleri
• Temizleme ve paketleme gereksinimleri

Araştırma gofretleri, dummy gofretler ve cihaz sınıfı alt tabakalar birbirinin yerine kullanılabilir malzemeler olarak görülmemelidir. Epitaksi, proses geliştirme, ekipman kalibrasyonu veya cihaz üretim gereksinimlerine göre doğru sınıf seçilmelidir.

Sonuç

Silisyum karbür öncelikli olarak elektrikli araçların yüksek voltajlı güç dönüşüm sistemlerinde kullanılır. En önemli uygulaması çekiş invertörüdür, ardından araç içi şarj cihazları, yüksek voltajlı DC-DC dönüştürücüler ve seçilmiş termal yönetim veya yardımcı güç sistemleri gelir.

SiC cihazları yüksek hızlı elektronik anahtarlar olarak görev yapar. Enerji depolamazlar veya aracı doğrudan mekanik olarak sürmezler. Bunun yerine, elektrik enerjisinin batarya, motor, şarj girişi ve araç elektroniği arasındaki hareketini kontrol ederler.

Daha düşük anahtarlama kayıpları, yüksek voltaj yetenekleri ve daha yüksek güç yoğunluğu potansiyelleri, onları özellikle yüksek performanslı ve 800 V sınıfı elektrikli araçlar için çekici kılar. Ancak, nihai değer, paketleme, kapı sürücüsü, soğutma, koruma ve elektromanyetik uyumluluk dahil olmak üzere tam sistem tasarımına bağlıdır.

EV elektrik sistemleri daha yüksek voltaja, daha hızlı şarja ve daha kompakt güç elektroniğine doğru ilerlemeye devam ettikçe, silisyum karbürün geleneksel silikon cihazlarının yanı sıra giderek daha önemli bir rol oynaması beklenmektedir.