कैसे SiC इलेक्ट्रिक वाहनों की रेंज 5% तक बढ़ा सकता है

उपभोक्ताओं की लगातार बढ़ती मांग, पर्यावरण संबंधी जागरूकता/पर्यावरण संबंधी नियमों में वृद्धि और उपलब्ध विकल्पों की एक व्यापक श्रृंखला इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी) को अपनाने के लिए प्रेरित कर रही है।उन्हें अधिक से अधिक लोकप्रिय बनानेएक हालिया अध्ययन से पता चलता है कि 2023 तक इलेक्ट्रिक वाहनों की बिक्री वैश्विक ऑटोमोबाइल बिक्री का 10% होगी।

30%; और 2035 तक, इलेक्ट्रिक वाहनों की बिक्री संभावित रूप से वैश्विक ऑटोमोबाइल बिक्री का आधा हिस्सा हो सकती है।

हालांकि, "रेंज चिंता", यह चिंता कि एक बार चार्ज करने पर कवर की गई मील की दूरी पर्याप्त नहीं हो सकती है, इलेक्ट्रिक वाहनों के व्यापक स्वीकृति के लिए एक महत्वपूर्ण बाधा बनी हुई है।इस चुनौती को दूर करना वाहनों की रेंज बढ़ाने के लिए महत्वपूर्ण है.

इस लेख में चर्चा की गई है कि मुख्य इन्वर्टर में सिलिकॉन कार्बाइड (सीआईसी) धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) का उपयोग करके इलेक्ट्रिक वाहन की रेंज को 5% तक बढ़ाया जा सकता है।अतिरिक्त, 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.

इलेक्ट्रिक वाहन मुख्य इन्वर्टर डिजाइन में रुझान

विद्युत वाहनों में मुख्य (प्राथमिक) इन्वर्टर विद्युत कर्षण मोटर की AC वोल्टेज आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए निरंतर धारा (DC) बैटरी वोल्टेज को वैकल्पिक धारा (AC) वोल्टेज में बदल देता है,जिससे वाहन को आसानी से चलाया जा सकेमुख्य इन्वर्टर डिजाइन में नवीनतम रुझानों में शामिल हैंः

• बढ़ी हुई शक्ति:इन्वर्टर की अधिक आउटपुट शक्ति से वाहन में तेजी आती है और चालक की प्रतिक्रिया तेज होती है।

• अधिकतम दक्षता:वाहन चलाने के लिए उपलब्ध शक्ति बढ़ाने के लिए इन्वर्टर द्वारा खपत ऊर्जा की मात्रा को कम करना।

• बढ़ते वोल्टेजःजबकि हाल तक इलेक्ट्रिक वाहनों में 400 वोल्ट की बैटरी सबसे आम स्पेसिफिकेशन रही है, ऑटोमोटिव उद्योग वर्तमान, केबल मोटाई और वजन को कम करने के लिए 800 वोल्ट की ओर बढ़ रहा है।अतः, इलेक्ट्रिक वाहनों में मुख्य इन्वर्टर इन उच्च वोल्टेज को संभालने में सक्षम होना चाहिए और उपयुक्त घटकों का उपयोग करना चाहिए।

• वजन और आकार कम करना:सिलिकॉन आधारित आईजीबीटी की तुलना में सीआईसी में अधिक शक्ति घनत्व (केडब्ल्यू / किलोग्राम) है। उच्च शक्ति घनत्व सिस्टम के आकार (केडब्ल्यू / एल) को कम करने, मुख्य इन्वर्टर को हल्का करने और मोटर पर भार को कम करने में मदद करता है।वाहन का कम वजन एक ही बैटरी का उपयोग करके वाहन की रेंज को बढ़ाने में योगदान देता है जबकि ट्रांसमिशन सिस्टम की मात्रा को कम करता है और यात्रियों और ट्रंक स्थान को बढ़ाता है.

सिलिकॉन पर सीआईसी के फायदे

सिलिकॉन की तुलना में, सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री गुणों के मामले में कई फायदे प्रदान करता है, जो इसे मुख्य इन्वर्टर डिजाइनों के लिए एक बेहतर विकल्प बनाता है। पहला इसकी भौतिक कठोरता है,मोहस कठोरता रेटिंग 9 के साथ.5 सिलिकॉन के 6 की तुलना में।5उच्च वोल्टेज सिंटरिंग के लिए अधिक उपयुक्त और अधिक यांत्रिक अखंडता प्रदान करता है।

इसके अतिरिक्त, सीआईसी की थर्मल चालकता (4.9W/cm.K) सिलिकॉन (1.15W/cm.K) की तुलना में चार गुना है, जिससे यह प्रभावी रूप से गर्मी को फैला सकता है और उच्च तापमान पर विश्वसनीय रूप से काम कर सकता है।SiC का टूटने वाला वोल्टेज (2500kV/cm) सिलिकॉन (300kV/cm) से आठ गुना अधिक है, और इसमें व्यापक बैंडगैप गुण हैं, जो सिलिकॉन की तुलना में तेज़ स्विचिंग और कम नुकसान की अनुमति देते हैं,इसे इलेक्ट्रिक वाहनों में बढ़ते वोल्टेज (800V) आर्किटेक्चर के लिए बेहतर विकल्प बना रहा है.

Ansys SiC पैकेजिंग असाधारण रूप से कम थर्मल प्रतिरोध प्रदान करता है

सीआईसी के स्पष्ट लाभों के बावजूद,कुछ ऑटोमोटिव ओईएम मुख्य इन्वर्टर में उपयोग के लिए अछूता गेट द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर (आईजीबीटी) जैसे अधिक पारंपरिक सिलिकॉन आधारित स्विचिंग उपकरणों से संक्रमण करने के लिए अनिच्छुक रहे हैंसीआईसी को अपनाने में हिचकिचाहट दिखाने वाले ओईएम के कारणों में शामिल हैंः

• SiC को अपरिपक्व तकनीक के रूप में देखते हुए।

• सीआईसी को लागू करना चुनौतीपूर्ण है।

• यह मानते हुए कि मुख्य इन्वर्टर अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त पैकेजिंग की कमी है।

• यह मानते हुए कि SiC आपूर्ति सिलिकॉन आधारित उपकरणों की तुलना में कम सुविधाजनक है।

• यह सोचकर कि SiC IGBTs से अधिक महंगा है।

तो, इलेक्ट्रिक वाहनों के मुख्य इन्वर्टरों में सीआईसी का उपयोग करने में ओईएम को अधिक आश्वस्त कैसे किया जा सकता है?

ओईएम के प्रति विश्वास बढ़ाना

इलेक्ट्रिक वाहनों के मुख्य इन्वर्टरों में SiC के उपयोग में OEM के विश्वास को बढ़ाने के लिए पहला कदम SiC के साथ हासिल किए जाने वाले महत्वपूर्ण प्रदर्शन लाभों का प्रदर्शन करना है।लेखक ने Ansys के NVXR17S90M2SPB का अनुकरण करने के लिए सर्किट डिजाइन सॉफ्टवेयर का उपयोग किया है।.7mΩ Rdson) और NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V छह पैक पावर मॉड्यूल और उनके प्रदर्शन की तुलना 820A VE-Trac Direct IGBT (अन्सीस से भी) से की।मुख्य इन्वर्टर डिजाइन के लिए सिमुलेशन परिणामों से पता चला कि:

• एक 10KHz स्विचिंग आवृत्ति पर, 450V डीसी बस वोल्टेज और 550Arms शक्ति संचरण के साथ,SiC मॉड्यूल का जंक्शन तापमान (Tvj) (111°C) समान शीतलन परिस्थितियों में IGBT (142°C) से 21% कम था.

• NVXR17S90M2SPB के लिए औसत स्विचिंग हानि 34.5% कम हुई, जबकि NVXR22S90M2SPB के लिए आईजीबीटी की तुलना में 16.3% कम हुई।

• NVXR17S90M2SPB के साथ कार्यान्वित पूर्ण मुख्य इन्वर्टर डिजाइन के लिए कुल नुकसान सिलिकॉन आधारित IGBT डिजाइन की तुलना में 40% से अधिक कम हो गए थे,और NVXR22S90M2SPB का उपयोग करते समय बिजली के नुकसान में 25% की कमी आई.

यद्यपि ये सुधार मुख्य इन्वर्टर के लिए विशिष्ट हैं, लेकिन वे इलेक्ट्रिक वाहनों की समग्र दक्षता में 5% की वृद्धि कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप 5% की सीमा बढ़ जाती है।100 किलोवाट की बैटरी और 500 किलोमीटर की रेंज से लैस इलेक्ट्रिक वाहनAnsys के EliteSiC पावर मॉड्यूल पर आधारित मुख्य इन्वर्टर का उपयोग करते समय, 525 किलोमीटर की रेंज प्राप्त कर सकता है।इस तरह के मुख्य इन्वर्टर में SiC को लागू करने की लागत सिलिकॉन IGBT की तुलना में 5% कम होने की उम्मीद है।.

इसके अतिरिक्त, आईजीबीटी को छोड़ने पर विचार करने वाले ओईएम के लिए,Ansys समान आकार के SiC मॉड्यूल प्रदान करता है ताकि एकीकरण को सरल बनाया जा सके और एक ही थर्मल बाधाओं के भीतर बढ़ी हुई शक्ति संचरण का प्रदर्शन किया जा सकेइसके अतिरिक्त, SiC मॉड्यूल एक ही जंक्शन तापमान पर उच्च शक्ति स्तरों को संभालने का लाभ प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, NVXR17S90M2SPB 760Arms प्रदान कर सकता है,जबकि IGBT (Tvj = 150°C) केवल 590Arms प्रदान कर सकते हैंइसके अतिरिक्त, Ansys सीधे तांबे के सब्सट्रेट पर SiC चिप्स को बांधता है,डिवाइस जंक्शन और शीतलन द्रव के बीच थर्मल प्रतिरोध को 20% तक कम करना (द्रव के लिए Rth जंक्शन = 0.08°C/W) ।

उन्नत इंटरकनेक्शन तकनीक के साथ प्रेशर-मोल्ड पैकेज का उपयोग करने से SiC मॉड्यूल का उच्च पावर घनत्व और बढ़ जाता है और उनमें कम परजीवी प्रेरण क्षमता होती है।उच्च गति स्विचिंग दक्षता के लिए महत्वपूर्णइसके अतिरिक्त, उच्च स्विचिंग आवृत्ति से सिस्टम के भीतर कुछ निष्क्रिय घटकों के आकार और वजन में कमी आ सकती है।इस प्रकार की पैकेजिंग कई तापमान विकल्प प्रदान करती है (200°C तक), जिससे ओईएम की थर्मल मैनेजमेंट की आवश्यकताएं कम होंगी और संभवतः थर्मल मैनेजमेंट के लिए छोटे पंपों का उपयोग करने की अनुमति मिल सकेगी।