Силова електроника за батерии от силициев карбид за електрически превозни средства (EV)

Полупроводниците от силициев карбид (SiC) могат да променят характеристиките и ефективността на електрическите превозни средства (ЕПС). Замяната на силициеви устройства с такива от SiC увеличава значително плътността на мощността и ефективността.

Освен това те могат да издържат на скокове на напрежението, причинени от бързо зареждане и регенеративно спиране, които намаляват капацитета на батерията и в крайна сметка водят до ранна повреда.

Приложения за високо напрежение

Полупроводниците от силициев карбид (SiC) революционизират силовата електроника на електромобилите. В сравнение със силициевите полупроводници SiC устройствата предлагат по-високо пробивно напрежение, по-високи скорости на превключване, по-ниско съпротивление и по-добра топлопроводимост - предимства, които се изразяват в намалени енергийни загуби и компактни системи за преобразуване на енергия с по-малки енергийни загуби за по-голям пробег и по-бързо зареждане на електромобилите.

SiC е идеален материал за анод във високоволтови приложения, като например електромобили. Ниското му термично разширение и химическата му инертност спомагат за създаването на стабилна междинна фаза от твърд електролит (SEI), която е от съществено значение за безопасността и продължителността на живота на батериите. Освен това високата електропроводимост на SiC му позволява бързо да прехвърля Li+ йони между анодните и катодните клетки на батерията за бързи цикли на зареждане и разреждане.

Силициевите аноди обаче трябва да са достатъчно здрави, за да издържат на многократни циклични промени на високи напрежения. Инженерите могат да допират силиций с въглеродни атоми, за да увеличат механичната му здравина и стабилност, като същевременно предлагат добра електропроводимост - допирането е особено ефективно при порестия силициев карбид (p-SiC), който предлага 300-460 Gpa модул на Юнг и проводимост от 0,11 O.m при 200 градуса по Целзий, докато композитите с графитни или аморфни въглеродни допанти, като графитни или аморфни въглеродни допанти, допълнително подобряват ефективността на цикъла, като ограничават растежа на SEI или увеличават избледняването на капацитета [44].

SiC се превръща във все по-привлекателен материал за високоволтови силови устройства като диоди и MOSFET поради способността му да намалява размера и теглото на преобразувателите, като същевременно повишава ефективността. Тъй като електрическите превозни средства (EV) преминават от 400 V акумулаторни системи към 800 V акумулаторни системи, повишаването на ефективността на преобразувателите, които задвижват тяговите двигатели и OBC, е от решаващо значение, за да се увеличи максимално капацитетът на акумулатора и да се удължи пробегът.

Силовите преобразуватели, конструирани с помощта на SiC полупроводници, показаха забележителни постижения, позволявайки на водачите на електромобили да увеличат пробега на своите превозни средства без удължени цикли на зареждане и да намалят зависимостта от изкопаеми горива. Освен това SiC компонентите удължават живота на електромобилите, като ги предпазват от събития с високо напрежение, като регенеративно спиране и бързо зареждане с постоянен ток, които могат да повредят компонентите с течение на времето.

Силова електроника

Силовата електроника от силициев карбид играе съществена роля за производителността и ефективността на електрическите превозни средства (ЕПС). Силициевият карбид се превърна в иновативно решение за високоволтови приложения, като например бордови зарядни устройства (OBC) и тягови инвертори, които се намират в хибридни и напълно електрически превозни средства, като се отличава с по-голямо пробивно напрежение, по-бързи скорости на превключване и по-добри термични характеристики от своите аналози на силициева основа.

Преобразувателите на променлив ток преобразуват променливия ток в постоянен за съхранение в батерии, а тяговите инвертори преобразуват постоянния ток от батерията в променлив за работа на двигателя. Благодарение на ефективността на SiC полупроводниковата технология и възможностите за предаване на енергия, OBC и инверторите са станали по-малки, като все още осигуряват еднакви нива на енергийна ефективност, което прави електромобилите по-малки, като същевременно подобрява теглото и намалява разходите, както и пробега.

По-широката разделителна ивица на силициевия карбид позволява по-бързо превключване, а производството с използване на по-малко материал води до по-тънки устройства, които използват по-малко енергия за преобразуване и използване на енергията. Освен това по-високата му топлопроводимост позволява по-ефективно разсейване на топлината, което намалява сложността на системата, като същевременно намалява теглото.

Способността на силициевия карбид да издържа на по-високи работни температури повишава надеждността му за използване в силовите компоненти на електрическите превозни средства, които трябва да работят при трудни условия, включително повишено напрежение и температура. Освен това по-високото напрежение на пробив позволява използването на по-тънки материали и по-леки методи на конструиране, които допълнително намаляват теглото на системата, като същевременно осигуряват по-голям капацитет за доставка на енергия.

По-високите скорости на превключване на полупроводниците от силициев карбид позволяват на тяговите инвертори да зареждат батериите по-бързо, което позволява на електрическите превозни средства (ЕПС) да изминават по-голямо разстояние с едно зареждане - допълнително увеличавайки използваемостта и облекчавайки безпокойството на потребителите относно пробега. Освен това тази технология улеснява мащабирането на инфраструктурата за зареждане на електромобили.

В по-дългосрочен план плътността на мощността и ефективността на превключване на силициевия карбид ще позволят на електрическите превозни средства да изминават по-голямо разстояние с едно зареждане, което ще ги направи по-привлекателна алтернатива от превозните средства с двигатели с вътрешно горене и ще ускори прехода към по-екологични транспортни решения. Това може да ускори приемането на по-екологичен транспорт от потребителите.

Зелена енергия

Тъй като все повече хора се ориентират към електрическите превозни средства, производителите разширяват границите на плътността на мощността и ефективността, за да постигнат по-дълъг пробег и по-висока производителност. Полупроводниците от силициев карбид са неразделна част от тези системи, като предлагат ключови предимства, като устойчивост срещу високоволтови пренапрежения, които се появяват по време на регенеративно спиране или цикли на бързо зареждане, ефективни възможности за DC/DC преобразуване и намалени изисквания за охлаждане за ефективни процеси на DC/DC преобразуване.

Широката лента на SiC, три пъти по-широка от тази на традиционния силиций, му позволява да издържа на 10 пъти по-високи пикови напрежения и токове от силиция, което го прави подходящ за устройства за производство и съхранение на енергия, работещи при високи напрежения и токове. Химически инертен и устойчив на термични удари, SiC може да издържи на многократни високоволтови разряди с минимална деградация, като същевременно се предпазва от радиационно излагане за дългосрочна работа, предлагайки изключителна защита от радиационна твърдост.

Особено забележителна е употребата на силициевия карбид в литиево-йонните батерии. Силициевият карбид е отличен аноден материал поради по-високата си енергийна плътност в сравнение с графита или други материали; клетка 18650, изработена от силициев карбид, има капацитет приблизително 3,4 Ah на грам и се зарежда два пъти по-бързо в сравнение с традиционните графитни батерии.

Технологията SiC повишава ефективността на силовата електроника, която управлява електрическите превозни средства (ЕПС). По-високите скорости на превключване намаляват размера и цената на компонентите, като същевременно повишават ефективността и надеждността на системата - нещо особено важно за веригите за зареждане на батериите в електромобила, където трябва да се извършва бързо и същевременно безопасно зареждане и разреждане.

Силициевият карбид е водещ и в приложенията за производство и съхранение на енергия от възобновяеми източници, като соларни инвертори, конвертори за вятърни турбини и системи за съхранение на енергия, свързани с мрежата. Неговата ефективност и надеждност позволяват на предприятията да намалят оперативните разходи, да минимизират разходите за поддръжка и престой, както и да удължат живота на оборудването при екстремни условия на околната среда.

Технологията на Wolfspeed за силициев карбид създава следващата вълна от устойчиви енергийни решения, които са по-енергийно ефективни и по-плътни от всякога. Присъединете се към нас и създайте бъдещето на устойчивата енергия!

Автомобилна индустрия

Полупроводниците от силициев карбид (SiC) революционизират технологиите за силова електроника за електрически превозни средства (EV), които се очаква да представляват около 50% от световните продажби на полупроводници до 2027 г. според Yole Developpement. SiC удължава пробега с едно зареждане, като същевременно намалява времето за зареждане и подобрява енергийната ефективност; неговите свойства за намаляване на топлинните загуби допринасят за запазване на компонентите хладни и допринасят за по-елегантен дизайн на електромобилите.

Технологията, базирана на SiC, в тяговите инвертори и бордовите зарядни устройства (OBC) е неразделен елемент от развитието на електрическите превозни средства (EV), като не само увеличава общата енергийна плътност и намалява теглото, но също така предлага възможности за бързо зареждане, за да облекчи безпокойството на потребителите относно пробега и да направи EV по-достъпни за по-голям сегмент от обществото.

Автомобилните приложения изискват високопроизводителни комутационни устройства, които могат да издържат на високи токове и температури за продължителен период от време. Силициевокарбидните (SiC) транзистори могат да бъдат идеални, тъй като имат по-добри характеристики в сравнение с техните аналози на силициева основа за тези автомобилни приложения, включително по-висока работна температура, скорост, енергийна ефективност, намалени загуби и по-висока плътност на мощността.

SiC MOSFET могат да подобрят ефективността на зареждане и плътността на мощността в сравнение с IGBT на силициева основа, когато се използват в OBC за преобразуване на променлив ток от електрическата мрежа в постоянен ток за акумулаторни батерии, което прави по-компактни модули, намаляващи изискванията за охладителна система, което води до намаляване на отпечатъка.

Настоящите производители на оригинално оборудване за автомобили са създали партньорства с производители на SiC, за да включат в продуктите си неговия материал с широка разделителна способност. Партньорствата варират от дългосрочни споразумения за доставка и стратегически и развойни партньорства, както и съвместни инвестиции в производствени съоръжения. Тяхната отдаденост на пазара на електрически превозни средства отразява както нарастващата му спешност като средство за ограничаване на емисиите, така и интереса на потребителите към по-чисти превозни средства. Силициевият карбид и други материали с широка разделителна способност отбелязаха неочакван пазарен скок, който води до използването им във все по-голям дял от автомобилните устройства. Въпреки това те трябва да преодолеят бариери като цена, зрялост на производствения процес и наличие на дизайни на устройства, пригодени специално за автомобили. Компаниите, които могат да установят ранни взаимоотношения с производителите на оригинално оборудване, като едновременно с това демонстрират възможностите на устройствата, ще бъдат в най-добра позиция да уловят бъдещото търсене на електрически автомобили.