SIC+SI Inversor de fusão de carbono misto · Análise de panorama da implementação do conceito para o sistema

SIC+SI Inversor de fusão de carbono misto · Análise de panorama da implementação do conceito para o sistema

Introdução: Com o rápido avanço da tecnologia de veículos elétricos, a inovação e a otimização de dispositivos de energia tornaram -se os principais fatores para o progresso da indústria. O SiC (carboneto de silício) e a tecnologia de inversores híbridos multi-variáveis de Si (Silicon), como uma conquista inovadora altamente prospectiva, está gradualmente ganhando destaque no setor de veículos elétricos.

I: Que tipo de inversor o mercado precisa?

1. Demand de tendência de desenvolvimento de veículos elétricos e energia de veículos elétricos

O mercado de veículos elétricos da China entrou em uma fase de crescimento explosivo, emergindo como um fator essencial na transição global para a nova energia. Conforme mostrado no gráfico abaixo, as vendas aumentaram de dezenas de milhares para 12,87 milhões de unidades ao longo da década de 2013 a 2024, impulsionadas pelo apoio político, maior conscientização ambiental do consumidor e avanços tecnológicos. Os veículos de passageiros continuam a ver sua participação de mercado nos VEs subindo constantemente, com veículos elétricos representando 40,9% das vendas de carros novos até 2024. O mercado está mudando de iniciativas orientadas por políticas para o crescimento liderado pela demanda, com a aceitação do consumidor atingindo níveis sem precedentes.

No segmento de mercado, Phev e Reev alcançaram uma taxa de crescimento de 84,69% nos últimos dois anos. Seu recurso de "carregamento flexível"-utilizando o modo elétrico puro para o uso urbano para reduzir os custos, enquanto emprega um carregamento movido a combustível por viagens de longa distância para aliviar a ansiedade do alcance-tem diversos cenários de usuário. Em relação às plataformas de tensão, a participação de mercado da plataforma de alta tensão de 800V aumentou de 2% em 2022 para 15% até 2025. Com recursos rápidos de carregamento (mais de 300kW) e melhorias significativas de eficiência energética, atende efetivamente às demandas de veículos premium.

Com as demandas de veículos elétricos dos consumidores se tornando cada vez mais diversos, há uma preferência crescente por "maior espaço na cabine" e "potência mais forte". Essa tendência impulsiona a evolução dos traços de força para serem "menores, mais poderosos, mais eficientes e mais econômicos". Após analisar as tendências do mercado, como as principais métricas de desempenho dos inversores - componentes de núcleo em sistemas de acionamento elétrico - desenvolveram? Vamos explorar o roteiro para a evolução do KPI do inversor em detalhes.

2: Roteiro de desenvolvimento de KPI do inversor: Classificar direção de inovação semicondutores

Como um componente crítico em veículos elétricos, os inversores de tração determinam diretamente a potência do veículo, a eficiência energética e a experiência de condução. A otimizar seu desempenho se tornou uma estratégia vital para montadoras e fornecedores para melhorar a competitividade. Vamos examinar os principais KPIs dos inversores: eficiência de custos, densidade de energia e eficiência do ciclo. Quais são as tendências atuais de desenvolvimento nessas áreas?

O gráfico abaixo mostra a tendência em mudança dos KPIs do Core de Inverter de 2019 a 2027. Através do "Roteiro do Inverter KPI", podemos capturar claramente:

■ Custo: desde 2019, o preço do SI IGBT diminuiu 65%e o preço do SiC diminuiu em certa medida, mas ainda é cerca de 2,5-3 vezes mais caro que o SI IGBT.

■ Densidade de potência: A curva de densidade de potência do inversor mostra uma tendência ascendente, de 37 kW/L em 2019 a 100 kW/L em 2027, ajudando a obter projetos de inversores mais compactos e eficientes.

■ Eficiência CLTC-P: Espera-se que a curva de eficiência do SIC aumente de 95,8% em 2019 para 99,2% em 2027; A eficiência do Si também é melhorada, mas é sempre menor que a do SiC.

3. Quais são os fatores que afetam as mudanças desses KPIs? Existem vários aspectos principais (os seguintes pontos de foco):

■ Desenvolvimento da tecnologia de integração: incluindo a integração de IC, integração mecânica, conexões reduzidas, etc. -> ajuda a simplificar a estrutura do sistema, reduzir a perda de energia desnecessária e a interferência de sinal, reduzindo assim os custos, melhorando a confiabilidade do sistema e a densidade de energia

■ Estabilidade e otimização da cadeia de suprimentos: efeito de escala, design interno, fornecimento local e outros fatores podem controlar efetivamente os custos e garantir o fornecimento estável de componentes; Ao expandir a escala de produção e otimizar o layout da cadeia de suprimentos, o custo dos componentes SiC e Si pode ser reduzido

■ Innovative approaches: Such as chip embedding in PCB configurations, software algorithms (eg, DPWM, square wave control, carrier frequency optimization, slope control), next-generation Si/SiC chip technology, low-leakage inductor packaging and layout, integrated power devices, three-level topology → These advancements enhance device performance and reliability, providing solid technical support for inverter performance melhoria. Portanto, podemos perceber que o salto no desempenho dos inversores decorre da tecnologia de dispositivos de energia evoluindo de "avanços de ponto único" para "sinergia do sistema": a redução de custos em larga escala de IGBTs baseadas em Si, a eficiência ruptura da SIC e a sinergia de várias tecnologias inovadoras se formam coletivamente. Nesta transformação, quem alcança a "otimização tripla" em custo, eficiência e integração aproveitará a iniciativa em sistemas de acionamento de veículos elétricos e levará a indústria a um estágio de maior dimensão.

II: Topologia de SI/SIC Hybrid Switch

O interruptor híbrido é composto por Si IGBT e SiC MOSFET em paralelo. Através de um projeto de topologia razoável e estratégia de direção, as vantagens de ambos são complementares. Portanto, a definição de design da estrutura de topologia é crucial!

Essa topologia não apenas aprimora a capacidade de transporte de corrente dos dispositivos de comutação, mas também reduz as perdas de condução e comutação, melhorando assim o desempenho e a eficiência gerais do sistema. Portanto, é essencial analisar diferentes topologias e estudar aplicações do mundo real dos interruptores híbridos nos inversores para demonstrar seus efeitos significativos no aumento da eficiência e confiabilidade do inversor.

Características do dispositivo de comutação misto SI/SIC

Depois de explorar várias topologias de acionamento híbrido, essa análise se concentrará nas configurações SI IGBT e SIC MOSFET para detalhar a abordagem técnica. Vamos começar entendendo três questões fundamentais: quais são as características de troca do SI IGBT combinadas com o SIC MOSFET? O que torna essas características únicas? E como podemos aproveitar seus pontos fortes individuais para alcançar o desempenho ideal?

Características de condução: Devido a suas estruturas físicas distintas, os IGBTs e os MOSFETs SiC exibem diferentes curvas características de saída, como mostrado na figura abaixo. Os MOSFETs do SIC demonstram características de condução mais resistentes, enquanto os IGBTs apresentam um comportamento de tensão do joelho pronunciado (tensão do joelho). Essa diferença técnica se manifesta como características distintas de perda de condução entre os dois dispositivos:

Em baixa corrente, o SiC MOSFET tem menor na perda; Quando a corrente é grande (sobre o ponto de interseção da curva), o IGBT tem menor perda.

Características de condução IGBT e SIC MOSFET

Características de comutação: o IGBT é um dispositivo bipolar, e a recombinação de portadores minoritários definitivamente causará corrente à direita quando estiver desligado, resultando em características de perda de comutação ruim. No entanto, o SiC MOSFET tem uma velocidade de comutação mais rápida e nenhuma corrente de troca, portanto, sua perda de comutação tem vantagens óbvias em comparação com o IGBT

Em conclusão, os dispositivos SiC MOSFET não têm vantagens de desempenho esmagadoras em todas as condições de carga. É fácil entender que um ponto de equilíbrio precisa ser considerado ao escolher entre o SIC MOSFET e o SI IGBT.

Três: Gerenciamento de tempo e estratégia de controle do interruptor híbrido

Depois que temos um profundo entendimento das características do dispositivo e a maneira correta de aplicá -las no nível do sistema, o próximo passo é considerar como implementar essas idéias de design? Existem três questões -chave: relação atual, gerenciamento de tempo e estratégia de controle.

1. Razão de corrente aborda essencialmente: como maximizar a capacidade de saída dos interruptores de energia, garantindo sua operação segura? Usando os dispositivos de 1200V da Infineon como um estudo de caso, esta análise demonstra o desempenho real da comutação de quatro dispositivos híbridos em uma plataforma de teste de dupla pulso paralela de tubo duplo. Os resultados ilustram como a capacidade atual influencia a distribuição sob diferentes índices de corrente híbrida, considerando também a faixa operacional segura dos dispositivos.

2. Descrição detalhada das características do dispositivo SI/SIC: 2.5 Perda ideal na comutação assíncrona

O gerenciamento de relógios é um componente crítico no design do comutador híbrido Si/SiC. Ao controlar com precisão o tempo de comutação dos IGBTs Si e MOSFETs SIC, podemos obter comutação de tensão zero (ZVS) em IGBTS, reduzindo significativamente as perdas de comutação. As principais questões são: Como otimizar as perdas de comutação híbrida por meio de estratégias de troca assíncronas? Quais são os diferentes modos de comutação (opções de tempo de comutação)? Como os atrasos variados de ativação e desligamento afetam as perdas no estado e fora do estado nos interruptores híbridos? Esses são os aspectos críticos que precisamos abordar.

Por fim, introduziremos vários ICs inovadores híbridos disponíveis no mercado que permitem operação síncrona ou assíncrona de MOSFETs e IGBTs SIC e IgBTs, enquanto incorporam recursos de gerenciamento de tempo avançado. Ao ajustar dinamicamente os tempos de atraso de ativação/desativação e sequências prioritárias em tempo real, esses ICs otimizam o desempenho da comutação entre os dispositivos híbridos, aumentando assim a eficiência e a confiabilidade do sistema.

Conclusão

Como pode ser visto na introdução acima, a fim de entender total e sistematicamente a direção técnica do semicondutor de energia híbrido SiC-Si, nossa idéia geral é dar três etapas.

Etapa 1: comece com os componentes mais básicos. Primeiro, entenda -os em profundidade e depois discuta: quais são suas características individuais? Como eles se apresentam em paralelo? Como podemos usar as características desses componentes para otimizar o desempenho do sistema?

Etapa 2: Depois de entender as características e o desempenho do dispositivo sob diferentes modos de comutação, passamos para o nível do inversor. Com base em nossa análise no nível do dispositivo, esta seção explora como maximizar as características de saída do transistor por meio de proporções SiC/Si otimizadas e impulsionar as estratégias adaptadas às condições de aplicação, alcançando maior eficiência do sistema e perda de energia reduzida. Como podemos aproveitar completamente as capacidades de transporte de corrente dos MOSFETs e IGBTs SIC SiC sob várias condições de carga para alcançar um equilíbrio ideal entre eficiência e desempenho?

PARTE III: Tendo adquirido um entendimento completo das características do dispositivo e abordagens de aplicativos no nível do sistema, a próxima pergunta crítica é como implementar esses conceitos de design. Esta seção examinará como obter uma operação eficiente de dispositivos híbridos de energia SiC-Si por meio de estratégias de controle bem projetadas e arquiteturas de circuitos do motorista, concentrando-se no ICS do motorista e no design do circuito.

Por fim, a questão crítica permanece: quais são as aplicações práticas e as perspectivas futuras dos interruptores híbridos SI/SIC em veículos elétricos? À medida que o mercado de VE continua a se expandir e novas tecnologias de energia avançam, a demanda por dispositivos de alta eficiência, alta densidade de potência e comutação altamente confiável continuará crescendo. Com seu desempenho superior e vantagens de custo, os interruptores híbridos Si/SiC podem em breve se tornar a solução de comutação dominante, injetando um novo momento na inovação de produtos e atualizações tecnológicas.