Сравнительный анализ устройств Si и SiC для тяговых инверторов электромобилей

Привет всем, добро пожаловать в новый пост сегодня. В этой статье мы стремимся изучить характеристики, сравнить методы расчета потерь мощности в тепловых моделях и понять потребляемую мощность и площадь кристалла, необходимую для различных устройств Si и SiC, посредством моделирования автомобиля NEDC с заданными параметрами.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Моделирование устройств Si и SiC в конструкции гибридного электромобиля

Ⅱ. Сравнительный анализ устройств Si и SiC

Ⅲ. Заключение

Последние мировые тенденции показывают, что мир быстро переходит в сторону электромобилей (EV). В результате крупные автомобильные компании планируют перевести значительную часть производства на электромобили.

Volvo планирует продавать только электромобили к 2030 году, Lotus — к 2028 году, а General Motors — к 2035 году. Кроме того, такие страны, как Япония, планируют полностью перейти на электромобили к 2025 году.

Одним из наиболее важных компонентов электромобилей являются тяговые инверторы. Это напрямую влияет на впечатления от вождения, запас хода аккумулятора и общую безопасность автомобиля. Целью тягового инвертора является преобразование постоянного тока из аккумулятора электромобиля в переменный ток, который будет использоваться в электродвигателе для привода силовой установки автомобиля. Продолжаются исследования силовых полупроводников на основе SiC с целью повышения эффективности инвертора, частоты переключения, максимально допустимой температуры перехода и плотности мощности системы. В случае HEV высокоинтегрированные инверторы, охлаждаемые контуром охлаждения двигателя внутреннего сгорания, являются выгодным решением, что делает ненужным дополнительный низкотемпературный силовой электронный контур охлаждения.

Эта статья основана на исследовательской работе IEEE «Характеризация и масштабируемое моделирование силовых полупроводников для оптимизированного проектирования тяговых инверторов с Si и SiC-устройствами». В этой статье мы стремимся изучить характеристики, сравнить методы расчета потерь мощности в тепловых моделях и понять потребляемую мощность и площадь кристалла, необходимую для различных устройств Si и SiC, посредством моделирования автомобиля NEDC с заданными параметрами.

Некоторые параметры для сравнительного анализа устройств Si и SiC:

1. Потеря мощности

2. Ограничения моделирования устройств

3. Минимальная площадь чипа для более высоких частот.

Ⅰ. Моделирование устройств Si и SiC в конструкции гибридного электромобиля

Во-первых, мы рассмотрим моделирование системы для тягового инвертора гибридного электромобиля с устройствами Si и SiC с конечным выходом.

В этом моделировании использовался силовой модуль транспортного средства с номинальной температурой перехода tj(max) = 175 ◦C и типичной температурой охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания tf = 105 ◦C. Электрическая машина определяет факторы, влияющие на потери, такие как ток, напряжение и коэффициент мощности. Справочные таблицы скорости и крутящего момента, оптимизированные по эффективности, используются в качестве быстрого метода определения условий эксплуатации инвертора. Рассматривается машина с минимальным фазным током для каждого напряжения звена постоянного тока без изменения ее электромагнитной конструкции. Опорная пластина со штифтовым ребром и жидкостным охлаждением была предложена в качестве подходящего варианта охлаждения силового модуля для гибридных и электромобилей. Его термическое переходное сопротивление 19 мм2 кВт было использовано для дополнительного моделирования.

Представление в пространстве состояний модели переходных процессов в тепловой области с нелинейной моделью потерь в электрической области в качестве обратной связи было смоделировано с помощью программного обеспечения MATLAB/Simulink.

Была добавлена физическая модель транспортного средства с переключением передач для создания профилей задач для тяговых инверторов HEV на основе стандартизированных ездовых циклов. Транспортным средством, выбранным для моделирования, был 2500-килограммовый гибридный внедорожник со встроенной в коробку передач синхронной машиной с постоянными магнитами (PMSM) (32 полюса, 500 Нм, 60 кВт). Условия эксплуатации для моделирования:

1. Постоянное напряжение батареи:

а. 350 В для IGBT на 650 В

б. 700 В для IGBT 1200 В

в. 700 В для SiC-JFET D-режима 1200 В

2. Частота переключения 10 кГц.

Ниже представлен краткий обзор структуры имитационной модели.

Рис.1 Имитационная модель для испытаний полупроводниковых тяговых инверторов Si и SiC

Эффективность инверторов и электрической машины, приводящей в движение новый европейский ездовой цикл (NEDC), продемонстрировала снижение потерь инвертора SiC, особенно при частичной нагрузке.

Рисунок.2 График зависимости выходного сигнала инвертора от эффективности для различных технологий силовой электроники

Моделирование во временной области и моделирование переходных процессов выполняются для проверки надежности и срока службы силовых полупроводников с учетом профиля нагрузки и возможного изменения конструкции микросхемы системы. Применение алгоритма Rainflow к характеристикам термочипа во временной области представляет собой современную процедуру подсчета тепловых циклов корпуса во время работы для оценки срока службы.

Этот расчет не показал существенной разницы между инверторами Si и SiC с оптимизированной площадью кристалла. Имитационная модель также дает данные о потерях мощности, на основе которых было рассчитано энергопотребление полупроводниковых устройств. Потери мощности для устройств Si и SiC составляют:

Рисунок.3 Результаты моделирования для различных устройств силовой электроники

Благодаря этому эксперименту по моделированию вождения NEDC можно достичь возможного снижения потерь энергии до 70% для тяговых инверторов с уменьшением площади чипа на 66% при использовании устройств из карбида кремния по сравнению с кремниевыми устройствами.

Ⅱ. Сравнительный анализ устройств Si и SiC

Помимо моделирования NEDC, мы также стремимся изучить характеристики и сравнительный анализ различных полупроводниковых устройств Si и SiC:

1. Характеристика устройства

Лабораторная установка для исследования характеристик переключения была оснащена внешним регулятором температуры. Драйвер затвора был разработан для обеспечения настраиваемого напряжения в диапазоне ±25 В с максимальным пиковым током 1 А. Диапазон кривых переключения, достигнутый для устройств SiC-DJ-1200, SiC-EJ-1200 и SiC-EMOS-1200 является:

Рисунок.4 Полумостовое переключение для SiC-DJ-1200 в зависимости от времени для напряжения, тока и температуры перехода

Рисунок 5. Переключение полумоста для SiC-EJ-1200 в зависимости от времени для напряжения, тока и температуры перехода.

Рисунок.6 Переключение полумоста для SiC-E-MOS-1200 в зависимости от времени для напряжения, тока и температуры перехода.

Поведение всех полумостов при выключении сравнительно быстрое, и существенной разницы в наклонах нет.

Всплеск обратного восстановления SiC-DJ-1200 при высоких токах и температурах становится существенным во время включения SiC-корпуса-диода. В результате устройство вносит в контур коммутации умеренный звон из-за крутых скатов тока, достигающих скорости спада выключения. SiC-E-J1200 практически не демонстрирует обратного восстановления благодаря SiC JBS-диоду. Во время включения его характеризует плоский наклон напряжения. Это приводит к значительным коммутационным потерям. Полумост SiC-E-MOS-1200 демонстрирует самое быстрое включение, сопровождающееся самым высоким всплеском обратного восстановления, что приводит к значительному звону в контуре коммутации.

2. Тепловые характеристики

На рисунке ниже показаны тепловые характеристики дифференциального сопротивления зоны устройства в открытом состоянии. SiC-JFET, SiC-MOSFET и Si IGBT с D-режимом имеют плоскую термическую характеристику. В то же время у SiC-JFET в E-режиме наблюдается резкое увеличение сопротивления выше 150 ◦ C. Биполярные Si-диоды достигают почти на порядок меньшего дифференциального сопротивления в открытом состоянии по сравнению с униполярным SiC-JBS-диодом, что находится в диапазоне SiC-FET.

Смещение напряжения SiC-JBS-диода уменьшается с ростом температуры, как и все смещения напряжения кремниевых устройств. Следовательно, значение смещения напряжения SiC-JBS-диода находится в диапазоне ниже 1200 В и выше 650 В для кремниевых устройств для изображенной температурной области.

Рисунок.7 Зависимость сопротивления от температуры и напряжения от температуры для разных устройств

Ток управления затвором изменяется пропорционально площади кристалла, а паразитная индуктивность контура коммутации изменяется обратно пропорционально. Следовательно, сравнение полумостов Si и SiC с одинаковой площадью кристалла показало в пять-десять раз более высокие потери переключения для полумостов Si.

3. Теплопотери в зависимости от площади полупроводникового чипа

Рис.8 Потери мощности на разных участках чипа для разных устройств

На рисунке выше показано выделяемое и рассеиваемое тепло при заданных критических рабочих условиях для различных областей микросхемы с напряжением звена постоянного тока 400 В, пиковым фазным током 173 А, максимальной температурой перехода 175 ◦C и частотой переключения 10 кГц. Результаты вышеупомянутого эксперимента позволяют сделать вывод, что минимально допустимая площадь кристалла полупроводникового устройства определяется пересечением генерируемой и рассеиваемой мощности на кривой площади кристалла.

Эта минимальная площадь чипа была рассчитана численно. Кроме того, была рассчитана итоговая минимальная суммарная площадь чипа тягового инвертора для компонента электрической трансмиссии HEV мощностью 60 кВт для различных частот переключения и напряжения аккумуляторной батареи.

Рис. 9. Зависимость площади кристалла от напряжения в цепи постоянного тока при различных частотах переключения и напряжениях батареи

Инверторы Si демонстрируют увеличение минимальной площади кристалла для более высоких частот переключения, чтобы рассеять дополнительные потери на переключение. Напротив, для инверторов SiC требуется лишь небольшое увеличение площади кристалла. Что касается сравнения устройств с одинаковой технологией, технология Si-EI-0650 работает лучше по сравнению с Si-EI-1200 для частот переключения выше 5 кГц. Кроме того, SiC-DJ-1200 и SiC-E-MOS-1200 демонстрируют схожие характеристики и превосходят SiC-EJ-1200 благодаря использованию основного диода.

Ⅲ. Заключение

Моделирование эксперимента NEDC, представленное в исследовательской работе, показывает потери энергии на 70% и уменьшение площади кристалла на 66% для тяговых инверторов с устройствами SiC по сравнению с силовыми полупроводниками Si. В этой статье мы также представили характеристики потерь в полупроводниках SiC и их зависимость от напряжения, тока и температуры перехода постоянного тока на основе той же исследовательской работы.