실리콘 탄화물은 전기 차량의 전력 전자 장치에서 가장 중요한 반도체 재료 중 하나가되었습니다. 그러나 SiC는 일반적으로 배터리 전지를 제조하는 데 사용되지 않습니다.전기 모터 또는 차량 차체.

대신,실리콘 카바이드 웨이퍼이 장치들은 SiC MOSFET 및 SiC Schottky 장벽 다이오드와 같은 전력 반도체 장치로 처리됩니다. 이 장치들은 차량 내부에서 고전압 전기를 제어하고 변환합니다.

주요 자동차 응용 분야는 견인 인버터, 탑재 충전기, 고전압 DC-DC 변환기 및 선택 된 보조 전력 시스템입니다.또한 SiC는 충전 인프라에서 점점 더 중요합니다..

전기차에서 SiC 응용의 빠른 개요

전기차 안의 전력 흐름에 대한 이해

전기차 견인 배터리는 동전류를 공급하고, 추진 모터는 일반적으로 제어되는 교류를 필요로 합니다.재생 제동 및 저전압 전자 장치 공급 모두 전기가 서로 다른 전압과 형태로 변환되어야합니다..

이 변환은 전력 전자 시스템으로 수행됩니다.

전통적인 전기 차량은 일반적으로 실리콘 IGBT, 실리콘 MOSFET 및 실리콘 다이오드를 사용합니다. 이러한 장치들은 많은 응용 분야에 적합합니다.저전압 작동과 확립된 제조업이 주요 우선 순위입니다..

그러나 차량의 전압과 전력이 증가함에 따라 전환 손실, 열 발생 및 부품 크기가 더 중요해집니다. 이것은 넓은 대역 간격 SiC 장치가 중요한 이점을 제공하는 곳입니다.

1트랙션 인버터: EV에서 가장 중요한 SiC 응용 프로그램

견인 인버터는 현재 실리콘 탄화재의 가장 중요한 자동차 응용 프로그램입니다.

가속 도중 인버터는 견인 배터리에서 DC 전기를 모터용 3단계 AC 전기로 변환합니다. 또한 모터 속도와 토크를 제어합니다.

재생 브레이킹 도중, 변환 과정은 역으로 작동 합니다. 모터에 의해 생성 된 전기는 DC로 다시 변환되어 배터리로 돌아갑니다.

트렉션 인버터는 고전압과 큰 전류를 반복적으로 전환하기 때문에 상당한 전도성 및 전환 손실을 일으킬 수 있습니다. 전통적인 실리콘 IGBT는 성숙하고 신뢰할 수 있습니다.하지만 그들의 스위칭 행동은 더 높은 작동 주파수에서 효율을 제한할 수 있습니다.

SiC MOSFET는 다음을 제공할 수 있습니다.

• 전환 손실 감소
• 소정의 회수와 관련된 손실
• 더 높은 스위치 주파수
• 고전압 용량
• 최적화된 시스템에서 냉각 요구 사항을 낮추는
• 인버터 전력 밀도 증가
• 인버터 크기와 무게의 잠재적 인 감소

실제 효율 향상은 차량 속도, 모터 부하, 스위치 전략, 냉각 설계 및 구동 주기에 달려 있습니다. SiC는 운전 범위의 고정 된 증가를 보장하지 않습니다.하지만 인버터 손실을 줄이면 전체 에너지 사용량을 향상시킬 수 있습니다..

이 혜택은 부분 부하 운용, 고속도로 운전 및 전력 전자 효율이 전체 차량 소비량에 강하게 영향을 미치는 다른 조건에서 종종 특히 가치가 있습니다.

2탑재된 충전기

탑재된 충전기 (OBC) 는 외부의 AC 전기를 제어되는 DC 전기로 변환하여 견인 배터리를 충전합니다.

그 전력 변환 단계는 다음을 포함할 수 있다.

• AC 입력 필터링
• 전력 요인 수정
• 전류로 전류 변환
• 고립 또는 고립되지 않은 DC-DC 변환
• 배터리 전압 및 전류 조절

SiC MOSFET 및 SiC Schottky 다이오드는 전력 요인 교정 및 DC-DC 단계에서 사용할 수 있습니다. 고 주파수 스위칭 능력으로 엔지니어는 특정 트랜스포머의 크기를 줄일 수 있습니다.인덕터 및 콘덴시터.

잠재적인 OBC 혜택은 다음과 같습니다.

• 더 높은 변환 효율성
• 열 생산량 감소
• 작은 자기 부품
• 더 높은 전력 밀도
• 낮은 시스템 무게
• 고전압 배터리에 대한 더 나은 적합성

쌍방향 탑재 충전기는 또한 차량-네트, 차량-집 또는 차량-부하 동작을 지원할 수 있다.이 기능은 효율적인 양방향 에너지 변환을 요구하며 SiC 스위치의 또 다른 잠재적 응용 프로그램을 나타냅니다..

그러나 부품 선택은 여전히 충전기의 전력, 스위치 토폴로지, 전압, 열 요구 사항 및 목표 비용에 달려 있습니다.

3고전압 DC-DC 변환기

전기차는 일반적으로 고전압과 저전압 전기 시스템을 모두 포함합니다.

견인 배터리는 수백 볼트에서 작동 할 수 있으며, 조명, 인포테인먼트, 센서, 컨트롤러 및 기타 전자 장치는 일반적으로 12 V 또는 48 V 시스템에서 작동합니다.

고전압 DC-DC 변환기는 견인 배터리 전압을 필요한 낮은 전압으로 줄입니다. 또한 차량 전자 장치를 공급하고 저전압 배터리를 충전합니다.

SiC 장치는 높은 전력 DC-DC 변환기에서 효율적인 스위칭을 제공하고 시스템 크기를 줄이기 위해 사용될 수 있습니다. 그들의 성능은 더 높은 스위칭 주파수를 지원 할 수 있습니다.자석 구성 요소의 크기를 줄일 수 있는.

모든 자동차 DC-DC 변환기는 SiC가 필요하지 않습니다. 실리콘 MOSFET는 저전력 또는 저전압 단계에 더 경제적으로 남아있을 수 있습니다.변환기가 높은 입력 전압을 처리해야 할 때 SiC의 값이 증가합니다., 높은 전력 및 까다로운 열 조건

4전기 에어컨 압축기

내연기관과 달리 전기차는 모든 객실 온도와 배터리 온도 요구 사항을 관리하기 위해 엔진 폐열에 의존할 수 없습니다.따라서 냉각 수소 펌프와 고전압 난방기는 차량 열 관리에 중요한 역할을 합니다..

전기 에어컨 압축기는 모터와 모터를 제어하는 인버터를 포함합니다.SiC MOSFET는 전력 손실을 줄이고 고온 성능을 향상시키기 위해 선택 된 고전압 압축기 인버터에서 사용될 수 있습니다..

가능한 장점은 다음과 같습니다.

• 압축기 드라이브 효율성 향상
• 낮은 인버터 열 생산
• 더 컴팩트한 전력 전자
• 고전압 아키텍처와 더 나은 호환성

용도는 견인 인버터보다 덜 보편적입니다. SiC가 경제적으로 정당화되는지는 압축기 전력, 작동 전압, 열 설계 및 예상 효율성 향상에 달려 있습니다.

5고전압 난방기 및 보조 시스템

또한 선택된 고전압 보조 시스템에도 SiC 전원 장치가 나타날 수 있습니다.

• PTC 히터 컨트롤러
• 열 펌프 전력 전자 장치
• 전기 냉각 수소 펌프
• 전기 오일 펌프
• 연료전지 공기 압축기
• 보조 모터 드라이브
• 고체전도 차단기
• 전자 안전장치
• 양방향 전원 모듈
• 고전압 분배장치

이 시스템들 중 상당수는 여전히 실리콘 장치를 사용합니다.콤팩트한 패키지 또는 낮은 냉각 요구 사항이 추가 장치 비용을 정당화합니다..

6DC 급 충전 장비

동전 급 충전기는 차량 내부에 설치되어 있지 않지만 EV 전력 생태계의 중요한 부분입니다.

고속 충전기는 AC 전원을 정제된 고전압 DC로 변환합니다.변환 모듈은 더 높은 전압을 처리해야 합니다., 전류 및 열 부하

SiC MOSFETs와 다이오드는 충전 모듈에 다음과 같은 것을 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

• 더 높은 전력 변환 효율성
• 전환 손실 감소
• 더 높은 스위치 주파수
• 소형 전원 모듈
• 냉각 수요 감소
• 제한된 캐비닛 부피 내에서 더 높은 출력 전력

SiC 사용은 충전 속도를 독립적으로 결정하지 않습니다. 최대 충전 속도는 또한 차량 배터리, 충전 상태, 배터리 온도, 충전 프로토콜,케이블 용량 및 열 관리 전략.

왜 SiC는 800V EV 플랫폼에 중요합니까?

배터리 시스템 전압을 높이면 차량이 같은 전력을 낮은 전류로 전송할 수 있습니다.

낮은 전류는 케이블, 버스 바 및 전기 연결에서 저항 손실을 줄일 수 있습니다. 그것은 또한 전도자 크기의 과도한 증가를 요구하지 않고 더 높은 충전 전력을 지원 할 수 있습니다.

그러나 더 높은 시스템 전압은 다음에 대한 더 까다로운 요구 사항을 요구합니다.

• 반도체 분해 전압
• 전환 성능
• 전기 단열
• 포장재
• 크레핑 및 클리어먼스 거리
• 냉각 및 보호 시스템

실리콘 탄화물은 실리콘보다 훨씬 높은 비판 전기장을 가지고 있습니다. 따라서 상대적으로 낮은 스위치 및 전도 손실로 고전압 전원 장치를 지원 할 수 있습니다.

이것은 SiC가 800 V 클래스 트랙션 인버터, 탑재 충전기 및 DC-DC 변환기에 특히 매력적입니다.이것은 SiC의 도입이 종종 고전압 및 고성능 차량 플랫폼에서 시작되는 이유 중 하나입니다..

어떤 형태의 실리콘 탄화물 이 차량 에 설치 되어 있습니까?

원시 SiC 웨이퍼는 일반적으로 전기 차량에 직접 설치되지 않습니다. 여러 제조 단계를 거쳐야합니다.

1. SiC 크리스탈 성장

고순도의 SiC 원자재는 매우 높은 온도에서 처리되어 단일 결정 SiC 볼을 생산합니다.

2기판 제조

볼은 SiC 기판을 생산하기 위해 방향화, 썰어, 닦아, 닦아 깨끗이됩니다. 자동차 전력 장치에서 전도성 4H-SiC가 일반적으로 사용됩니다.

3부근성장

닦은 기판에 제어 된 SiC 부피층이 자란다. 두께와 도핑은 필요한 장치 전압과 전기 성능에 따라 설계된다.

4기기 제조

웨이퍼 수준의 반도체 프로세스는 SiC MOSFET, 샷키 다이오드 또는 다른 전력 장치를 만듭니다.

5포장 및 모듈 조립

장치는 덩어리로 나뉘어 전기적으로 연결되고 분리 된 패키지 또는 전원 모듈로 조립됩니다. 완성 된 모듈에는 반도체 도면, 금속 전도기, 세라믹 기판,기판 및 냉각 인터페이스.

6자동차 시스템 통합

패키지 장치 또는 모듈은 인버터, 충전기 또는 변환기에 통합됩니다. 게이트 드라이버, 버스바, 콘덴서,냉각 시스템과 제어 소프트웨어는 모두 SiC의 전기 행동에 최적화되어야합니다..

왜 SiC가 EV 전력 전기를 향상시키는가?

저변화 손실

SiC MOSFET는 많은 고전압 애플리케이션에서 실리콘 IGBT보다 더 효율적으로 전환 할 수 있습니다. 낮은 전환 손실은 낭비 된 에너지와 열 발생을 줄입니다.

더 높은 스위치 주파수

더 높은 작동 주파수는 선택 된 트랜스포머, 인덕터 및 콘덴시터의 크기를 줄일 수 있습니다.더 높은 주파수는 또한 전자기 간섭과 회로 레이아웃 제어의 중요성을 증가시킵니다..

고온 용량

시크로늄의 넓은 대역 간격은 더 까다로운 온도 조건에서 작동을 지원합니다.게이트 드라이버 및 시스템 신뢰성 요구 사항.

더 높은 전력 밀도

더 적은 손실과 더 높은 스위치 주파수는 전체 시스템이 그에 따라 설계되면 더 적은 용량 내에서 더 많은 전력을 처리 할 수 있습니다.

고전압 성능

SiC는 현대 EV 견인 및 충전 시스템, 특히 고전압 플랫폼에서 사용되는 전압 클래스에 잘 적합합니다.

SiC는 항상 EV의 주행거리를 증가시키나요?

SiC는 전력 변환 손실을 줄일 수 있지만 차량의 주행거리를 증가시키는 보편적인 비율은 없습니다.

그 결과는 다음에 달려 있습니다.

• 배터리 전압 및 용량
• 모터 효율성
• 인버터 토폴로지
• 운전 속도
• 차량 질량 및 공기역학
• 실내 온도
• 냉각 시스템 설계
• 통제 전략
• 도시 또는 고속도로 주행주기

제조업체는 효율성 이점을 다른 방식으로 사용할 수 있습니다. 한 디자인은 주행 범위를 확장 할 수 있지만 다른 디자인은 배터리 용량을 줄일 수 있습니다.냉각 시스템의 크기를 줄이거나 차량의 성능을 높이는.

따라서 SiC는 개별 반도체 사양을 비교하는 것보다 시스템 수준에서 평가되어야합니다.

왜 SiC가 모든 EV 전력 부품에 사용되지 않는가?

실리콘 탄화물은 강력한 성능을 제공하지만 기술 및 상업적 과제를 제시합니다.

더 높은 재료 및 장비 비용

SiC 결정 성장과 웨이퍼 가공은 전통적인 실리콘 제조보다 더 어렵습니다. 이것은 기판 및 장치 비용의 증가에 기여합니다.

크리스탈 및 표면 결함 관리

미생물 파이프, 부착, 쌓기 결함, 표면 긁힘 및 지하 손상은 부피 자전 성장 및 장치 생산량에 영향을 줄 수 있습니다.자동차용 애플리케이션은 엄격한 재료 일관성 및 추적성을 요구합니다..

게이트 드라이버 요구 사항

SiC MOSFET는 빠르게 전환하고 신중하게 설계된 게이트 드라이버, 보호 회로 및 전환 제어 장치가 필요합니다.

기생충 인덕턴스

급속한 전류와 전압 전환은 모듈 레이아웃, 버스바 설계 및 패키지 인덕턴스를 특히 중요하게 만듭니다.

전자기 간섭

더 높은 스위치 속도는 전자기 호환성 문제를 일으킬 수 있습니다. 전체 전력 시스템이 제대로 설계되지 않으면요.

단회로 보호

SiC 장치는 장치 및 시스템 설계에 따라 전통적인 실리콘 IGBT보다 더 빠른 오류 탐지 및 보호가 필요할 수 있습니다.

저전압 또는 비용에 민감한 시스템에서는 실리콘 MOSFET 및 IGBT가 여전히 성능, 성숙성 및 비용의 최상의 균형을 제공 할 수 있습니다.

자동차 전력 장치 개발을 위한 SiC 기판 선택

SiC 기체의 품질은 직접적으로 부피 성장과 장치 제조에 영향을 미칩니다. 자동차 전력 반도체 개발에 대한 웨이퍼 공급시,구매자는 웨이퍼 지름과 두께를 지정해야 합니다..

중요한 RFQ 매개 변수는 다음과 같습니다.

• 폴리 타입, 일반적으로 4H-SiC
• 전도성 유형
• 도판트 및 저항성 범위
• 웨이퍼 지름
• 크리스탈 지향
• 축 밖의 각도와 방향
• Si면 또는 C면
• 명목 두께와 허용도
• 전체 두께 변동
• 활과 경전
• 단면 또는 쌍면으로 닦는
• 표면 거칠성
• 미크로 파이프 및 구부러짐 요구 사항
• 표면 결함 제한
• 가장자리, 평면 또는 톱니 사양
• 웨이퍼 식별 및 롯의 추적성
• 분석 인증서 및 웨이퍼 지도 요구 사항
• 청소 및 포장 요구 사항

연구 웨이퍼, 가짜 웨이퍼 및 장치 수준의 기판은 교환 가능한 재료로 취급되지 않아야합니다. 올바른 등급은 부각, 공정 개발,장비의 캘리브레이션 또는 장치의 생산 요구 사항.

결론

실리콘 탄화물은 주로 전기 차량의 고전압 전력 변환 시스템에서 사용됩니다. 가장 중요한 응용 분야는 견인 인버터, 그리고 탑재 충전기,고전압 DC-DC 변환기 및 선택된 열 관리 또는 보조 전력 시스템.

SiC 장치는 고속 전자 스위치처럼 작동합니다. 그들은 에너지를 저장하거나 직접적으로 기계적으로 운전하지 않습니다. 대신 배터리, 모터,충전 입력 장치 및 차량 전자 장치.

낮은 전환 손실, 높은 전압 능력 및 더 높은 전력 밀도를위한 잠재력은 고성능 및 800 V 클래스 전기 차량에 특히 매력적입니다.최종 값은 전체 시스템 설계에 달려 있습니다., 포장, 게이트 운전, 냉각, 보호 및 전자기 호환성을 포함하여.

EV 전기 시스템은 더 높은 전압, 더 빠른 충전 및 더 컴팩트한 전력 전자 장치로 나아갑니다.실리콘 탄화물은 기존 실리콘 장치와 함께 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다..