어떻게 SiC가 전기차의 주행거리를 5% 증가시킬 수 있는가

지속적으로 증가하는 소비자 수요, 환경 인식/환경 규제의 증가 및 더 다양한 옵션이 전기 차량 (EV) 의 채택을 촉진하고 있습니다.점점 더 인기를 끌고 있습니다.최근 연구에 따르면 2023년까지 전기차 판매량은 세계 자동차 판매량의 10%를 차지할 것으로 예상되며, 2030년에는 이 수치가

30%, 그리고 2035년까지 전기차 판매는 전 세계 자동차 판매의 절반을 차지할 수 있습니다.

그러나 "역량 걱정" 즉 한 번 충전으로 이동하는 마일리지가 충분하지 않을 수 있다는 우려는 전기차의 보편적 도입에 큰 장애물입니다.이 과제를 극복하는 것은 비용을 크게 증가시키지 않고 차량의 범위를 확장하는 데 중요합니다..

이 기사에서는 메인 인버터에서 실리콘 탄화물 (SiC) 금속-산화물-반도체 필드 효과 트랜지스터 (MOSFET) 를 사용하여 전기 차량의 범위를 최대 5%까지 늘릴 수 있는 방법에 대해 논의합니다.추가로, 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.

전기차 주전환기 설계의 추세

전기차의 주 (원) 인버터 (main (primary) inverter) 는 전기 견인 모터의 AC 전압 요구 사항을 충족시키기 위해 DC 배터리 전압을 교류 전류 (AC) 전압으로 변환합니다.차량을 원활하게 운전할 수 있도록주요 인버터 설계의 최신 트렌드는 다음을 포함합니다:

• 전력 증가:더 큰 인버터 출력 힘은 차량 가속도 가속화와 운전자의 반응 속도가 빨라집니다.

• 효율성 극대화:차량 운전에 사용할 수 있는 전력을 증가시키기 위해 인버터에 의해 소비되는 에너지의 양을 최소화합니다.

• 전압 상승:최근까지 400V 배터리는 전기차에서 가장 일반적인 사양이었지만 자동차 산업은 전류, 케이블 두께 및 무게를 줄이기 위해 800V로 이동하고 있습니다.따라서, 전기차의 주 인버터는 이러한 높은 전압을 처리하고 적절한 구성 요소를 사용해야합니다.

• 몸무게 와 크기 를 줄이는 것:SiC는 실리콘 기반 IGBT에 비해 더 높은 전력 밀도 (kW/kg) 를 가지고 있다. 더 높은 전력 밀도는 시스템의 크기 (kW/L) 를 줄이고, 주 인버터를 가볍게 하고, 모터에 대한 부하를 줄이는 데 도움이 된다.차량의 무게가 낮아지는 것은 동일한 배터리를 사용하여 차량의 주행거리를 확장시키는 데 기여하고 동시에 변속 시스템의 부피를 줄이고 승객과 주행통 공간을 증가시킵니다..

실리콘보다 SiC의 장점

실리콘에 비해 실리콘 탄화물은 재료 특성 측면에서 여러 장점을 제공하며 주요 인버터 설계에 우수한 선택이됩니다. 첫째는 물리적 경화,모스 강도 9실리콘의 6과 비교하면 0.5입니다.5, SiC를 고전압 sintering에 더 적합하게 만들고 더 큰 기계적 무결성을 제공합니다.

또한, SiC는 실리콘 (115W/cm.K) 의 4배 (4.9W/cm.K) 의 열전도성을 가지고 있으며, 더 높은 온도에서도 효과적으로 열을 분산하고 안정적으로 작동할 수 있습니다.SiC의 분해 전압 (2500kV/cm) 은 실리콘 (300kV/cm) 보다 8배 높습니다., 그리고 그것은 더 빠른 전환과 실리콘에 비해 낮은 손실을 가능하게 넓은 대역 간격 특성을 가지고,전기 차량의 증가 전압 (800V) 아키텍처에 더 나은 선택이됩니다..

Ansys SiC 포장재 는 극히 낮은 열 저항 을 제공합니다

SiC의 명백한 장점에도 불구하고일부 자동차 OEM는 주요 인버터에서 사용하기 위해 단열 게이트 양극 트랜지스터 (IGBT) 와 같은 더 전통적인 실리콘 기반 스위칭 장치에서 전환하기를 꺼려했습니다.OEM 업체들이 SiC를 도입하는 데 주저하는 이유는 다음과 같습니다.

• SiC를 미성숙한 기술로 인식하고 있습니다.

• SiC 구현이 어려운 것 같아요.

• SiC가 주요 인버터 애플리케이션에 적합한 패키지가 부족하다고 믿었습니다.

• 실리콘 기반 장치에 비해 SiC 공급이 덜 편리하다고 가정합니다.

• SiC가 IGBT보다 비싸다고 생각해서요.

그렇다면, 어떻게 하면 전기차의 주 인버터에 SiC를 사용하는 OEM를 더 자신 있게 만들 수 있을까요?

OEM 의 신뢰성 증진

전기차 주 인버터에서 SiC를 사용하는 OEM의 신뢰를 높이는 첫 번째 단계는 SiC로 얻을 수있는 상당한 성능 장점을 입증하는 것입니다.저자는 Ansys의 NVXR17S90M2SPB를 시뮬레이션하기 위해 회로 설계 소프트웨어를 사용했습니다..7mΩ Rdson) 및 NVXR22S90M2SPB (2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900V 6 팩 전력 모듈을 분석하고 그 성능을 Ansys의 820A VE-Trac Direct IGBT (또한 Ansys) 와 비교했다.주요 인버터 설계에 대한 시뮬레이션 결과는:

• 10KHz 스위치 주파수, 450V DC 버스 전압, 550Arms 전력 전송SiC 모듈의 접합 온도 (Tvj) (111°C) 는 같은 냉각 조건에서 IGBT (142°C) 보다 21% 낮았습니다..

• NVXR17S90M2SPB의 평균 전환 손실은 34.5% 감소했으며 NVXR22S90M2SPB의 경우 IGBT에 비해 16.3% 감소했습니다.

• NVXR17S90M2SPB로 구현된 전체 주 인버터 설계의 총 손실은 실리콘 기반 IGBT 설계에 비해 40% 이상 감소했습니다.그리고 NVXR22S90M2SPB를 사용할 때 전력 손실이 25% 감소했습니다..

이러한 개선은 주 인버터에 특이하지만 전기 차량의 전체 효율을 5% 향상시킬 수 있으며 그 결과 범위가 5% 증가합니다. 예를 들어,100kW의 배터리와 500km의 주행거리를 갖춘 전기차Ansys의 EliteSiC 전원 모듈을 기반으로 한 주 인버터를 사용하면 525 킬로미터의 범위를 달성 할 수 있습니다.이러한 주요 인버터에 SiC를 구현하는 비용은 실리콘 IGBT보다 5% 낮을 것으로 예상됩니다..

또한, IGBT를 포기하는 OEM는Ansys는 통합을 단순화하고 동일한 열 제약 내에서 더 많은 전력 전송을 보여주기 위해 비슷한 크기의 SiC 모듈을 제공합니다.또한, SiC 모듈은 같은 접합 온도에서 더 높은 전력 수준을 처리 할 수있는 장점을 제공합니다. 예를 들어, NVXR17S90M2SPB는 760Arms,IGBT (Tvj = 150°C) 는 590Arms만을 제공할 수 있습니다.또한 Ansys는 SiC 칩을 구리 기판에 직접 결합합니다.장치 접착기와 냉각 액체 사이의 열 저항을 최대 20%까지 줄이는 것 (유체에 대한 Rth 접착 = 00.08°C/W)

첨단 상호 연결 기술을 가진 압력형 패키지를 사용하면 SiC 모듈의 높은 전력 밀도를 더욱 향상시키고 저 기생 인덕턴스를 특징으로합니다.고속 스위치 효율을 위해 중요합니다.또한, 더 높은 스위치 주파수는 시스템 내의 일부 수동 구성 요소의 크기와 무게를 줄일 수 있습니다.이 유형의 포장에는 여러 가지 온도 옵션이 있습니다 (200°C까지), OEM의 열 관리 요구 사항을 줄이고 잠재적으로 열 관리에 더 작은 펌프의 사용을 허용합니다.