Zasilanie pojazdów EV przechodzi na węglik krzemu

W przypadku pojazdów elektrycznych (EV) najważniejsza jest wydajność. Istnieje wiele możliwości poprawy wydajności, zwłaszcza w układzie napędowym, a jednym z kluczowych obszarów jest elektronika mocy. Spośród elementów opartych o elektronikę, największą moc i największe możliwości poprawy wydajności ma główny falownik, odpowiedzialny za przekształcenie prądu stałego na wyjściu z akumulatora na prąd przemienny na wejściu silnika elektrycznego. W ciągu ostatnich kilku lat, obserwuje się zdecydowany wzrost wykorzystania w falownikach EV półprzewodników opartych na węgliku krzemu (SiC), wypierających typowe tranzystory bipolarne z izolowaną bramką krzemową (Si IGBT). Zastosowanie SiC umożliwia projektowanie modułów zasilania o wyższej gęstości i które mogą działać w wyższych temperaturach, co prowadzi do nowych wymagań dotyczących zarządzania ciepłem i wykorzystania nowych materiałów dla elektroniki mocy EV.

Przejście na SiC

Pomimo większej ceny MOSFET opartych na bazie SiC, ich wykorzystanie w aplikacjach pojazdów elektrycznych jest już znaczne. Według badań IDTechEx, w 2020 roku inwertery SiC MOSFET stanowiły blisko 30% światowego rynku EV. Trend ten rozpoczęła Tesla w 2018 roku, a inni, czego przykładem może być BYD, właśnie opracowują swoje pojazdy w tej technologii. Giganci rynku EV, tacy jak Stellantis i Hyundai, coraz częściej stosują elektronikę SiC we wchodzących na rynek modelach, co jest elementem wprowadzania platform wysokiego napięcia (800 V). Nowy raport IDTechEx pt. ‘Power Electronics for Electric Vehicles 2022-2032’ ilustruje proces przechodzenia na SiC , przedstawiając dogłębną analizę energoelektroniki dla rynku EV z przykładami modeli EV, łańcucha dostaw oraz materiałów opakowaniowych i innowacji.

Wyzwania związane z zarządzaniem temperaturą

Elektronika mocy w pojazdach elektrycznych stwarza znaczne wyzwania w zakresie zarządzania temperaturą, a zastosowanie SiC zmienia kilka aspektów konstrukcji modułów i obudowy oraz wpływa na dobór materiałów. W tradycyjnym pakiecie energoelektroniki podczas cykli termicznych występuje kilka potencjalnych punktów awarii. W miarę nagrzewania się i schładzania pakietu, różnice w rozszerzalności cieplnej pomiędzy materiałami powodują degradację różnych połączeń, w tym połączeń drutowych, mocowania struktur półprzewodnikowych czy mocowania podłoża. W pakietach SiC gęstość mocy i temperaturę roboczą można znacznie zwiększyć, co oznacza, że niektóre tradycyjne opcje nie są odpowiednie.

Tradycyjny pakiet energoelektroniki z punktami potencjalnych awarii termicznych (oznaczone na czerwono). Źródło: © IDTechEx ‘Zarządzanie ciepłem pojazdów elektrycznych 2021-2031’. 

Obecnie drut aluminiowy jest dominującą technologią połączeń, jednak takie łączenie jest jednoczesnie częstą przyczyną awarii. Doprowadziło to do większego wykorzystania łączenia drutów ze stopów aluminium, miedzi, a nawet ołowiu. Niezbędne są również materiały do mocowania półprzewodników: zwykle odbywa się to za pomocą tradycyjnego lutowia, ale przy wyższych temperaturach roboczych (szczególnie w przypadku SiC), standardowy stop SAC (cyna-srebro-miedź) może być zawodny, co prowadzi do pojawienia się alternatyw, takich jak spiekanie srebra, zapewniających znacznie lepszą wydajność cyklu termicznego. Pakiet Tesla od STMicroelectronics wykorzystuje kombinację miedzianych wiązań taśmowych i aluminiowych wiązań drutowych ze spiekaniem srebra do mocowania matrycy. IdTechEx prognozuje dalsze upowszechnianie się tych opcji w konstrukcjach falowników, co ma zapewnić wyższą niezawodność i niezawodność w mniejszych obudowach.

Bardzo często elektronika zasilająca EV jest chłodzona cieczą, gdzie chłodziwo przepływa przez żebra radiatora pod modułem. Chociaż taki sposób zarządzania temperaturą energoelektroniki może nie jest tak innowacyjne jak nowe materiały zastosowane w samym pakiecie akumulatorowym, nadal jednak oferuje interesujące możliwości integracji w całym pojeździe. Wiele pojazdów korzysta z tej samej ścieżki przebiegu chłodziwa przez elektronikę mocy i silnik elektryczny. Na przykład w niektórych modelach ciepło odpadowe może być odbierane z układu napędowego do ogrzewania kabiny, pomagając zmniejszyć straty i poprawić ogólny zasięg pojazdu, zwłaszcza w niskich temperaturach.

Żródło: © IDTechEx