El carburo de silicio se ha convertido en uno de los materiales semiconductores más importantes en la electrónica de potencia de vehículos eléctricos.motor eléctrico o carrocería del vehículo.

En su lugar,Oferta de carburo de silicioSe procesan en dispositivos semiconductores de potencia como los MOSFET SiC y los diodos de barrera SiC Schottky. Estos dispositivos controlan y convierten la electricidad de alto voltaje dentro del vehículo.

Las principales aplicaciones automotrices incluyen inversores de tracción, cargadores a bordo, convertidores de alta tensión CC-CC y sistemas de energía auxiliar seleccionados.El SiC también es cada vez más importante en la infraestructura de carga.

Resumen rápido de las aplicaciones de SiC en vehículos eléctricos

Comprender el flujo de energía dentro de un vehículo eléctrico

Una batería de tracción EV suministra corriente continua, mientras que el motor de propulsión normalmente requiere corriente alterna controlada.El frenado regenerativo y el suministro de electrónica de bajo voltaje requieren que la electricidad se convierta entre diferentes voltajes y formas..

Estas conversiones se realizan mediante sistemas electrónicos de potencia.

Los vehículos eléctricos tradicionales utilizan comúnmente IGBT de silicio, MOSFET de silicio y diodos de silicio.El funcionamiento de baja tensión y la fabricación establecida son las principales prioridades.

Sin embargo, a medida que aumenta el voltaje y la potencia del vehículo, las pérdidas de conmutación, la generación de calor y el tamaño de los componentes se vuelven más importantes.

1Inversor de tracción: la aplicación más importante de SiC en un EV

El inversor de tracción es actualmente la aplicación automotriz más importante para el carburo de silicio.

Durante la aceleración, el inversor convierte la electricidad CC de la batería de tracción en electricidad CA de tres fases para el motor. También controla la velocidad y el par del motor.

Durante el frenado regenerativo, el proceso de conversión funciona en sentido inverso.

Debido a que el inversor de tracción cambia repetidamente altos voltajes y grandes corrientes, puede producir pérdidas considerables de conducción y conmutación.Pero su comportamiento de conmutación puede limitar la eficiencia en frecuencias operativas más altas.

Los MOSFET de SiC pueden proporcionar:

• Pérdidas de cambio más bajas
• Las pérdidas relacionadas con la recuperación inversa reducidas
• Frecuencias de conmutación más altas
• Capacidad de alta tensión
• Reducción de los requisitos de refrigeración en un sistema optimizado
• Aumento de la densidad de potencia del inversor
• Reducciones potenciales en el tamaño y peso del inversor

La mejora real de la eficiencia depende de la velocidad del vehículo, la carga del motor, la estrategia de conmutación, el diseño de refrigeración y el ciclo de conducción.Pero reducir las pérdidas del inversor puede mejorar la utilización general de energía.

El beneficio es a menudo particularmente valioso durante el funcionamiento con carga parcial, la conducción en carretera y otras condiciones en las que la eficiencia de la electrónica de potencia afecta fuertemente al consumo total del vehículo.

2Cargador a bordo.

El cargador de a bordo, o OBC, convierte la electricidad AC externa en electricidad DC controlada para cargar la batería de tracción.

Las etapas de conversión de su potencia pueden incluir:

• Filtración de entrada de CA
• Corrección del factor de potencia
• Conversión de CA a CC
• Conversión CC-DC aislada o no aislada
• Regulación del voltaje y de la corriente de la batería

Los MOSFET de SiC y los diodos de SiC Schottky se pueden utilizar en las etapas de corrección del factor de potencia y DC-DC.Inductores y condensadores.

Los beneficios potenciales de las OBC incluyen:

• Mejora de la eficiencia de conversión
• Producción de calor reducida
• Componentes magnéticos más pequeños
• Mayor densidad de potencia
• Peso del sistema más bajo
• Mejora de la idoneidad para baterías de alto voltaje

Los cargadores bidireccionales a bordo también pueden soportar el funcionamiento de vehículo a red, vehículo a hogar o vehículo a carga.Estas funciones requieren una conversión de energía bidireccional eficiente y representan otra aplicación potencial para los interruptores SiC.

Sin embargo, la selección de componentes sigue dependiendo de la potencia del cargador, la topología de conmutación, el voltaje, los requisitos térmicos y el coste objetivo.

3Conversor de alta tensión de corriente continua a corriente continua

Un vehículo eléctrico contiene normalmente sistemas eléctricos de alto y bajo voltaje.

La batería de tracción puede funcionar a varios cientos de voltios, mientras que la iluminación, el infoentretenimiento, los sensores, los controladores y otros componentes electrónicos generalmente funcionan desde un sistema de 12 V o 48 V.

El convertidor de alta tensión CC-CC reduce el voltaje de la batería de tracción a la baja tensión requerida.

Los dispositivos SiC pueden utilizarse en convertidores de alta potencia de CC-CC para proporcionar un conmutación eficiente y reducir el tamaño del sistema.que pueden reducir el tamaño de los componentes magnéticos.

No todos los convertidores DC-DC automotrices requieren SiC. Los MOSFET de silicio pueden seguir siendo más económicos para etapas de menor potencia o menor voltaje.El valor de SiC aumenta cuando el convertidor debe manejar un alto voltaje de entrada, alta potencia y condiciones térmicas exigentes.

4Compresor eléctrico de aire acondicionado

A diferencia de un motor de combustión interna, un vehículo eléctrico no puede depender del calor residual del motor para gestionar todos los requisitos de temperatura de la cabina y de la batería.Por lo tanto, las bombas de refrigerante y los calentadores de alto voltaje desempeñan un papel importante en la gestión térmica del vehículo..

Un compresor de aire acondicionado eléctrico contiene un motor y un inversor que controla el motor.Los MOSFET de SiC se pueden utilizar en inversores de compresores de alto voltaje seleccionados para reducir la pérdida de potencia y mejorar el rendimiento a altas temperaturas.

Las posibles ventajas incluyen:

• Mejora de la eficiencia del accionamiento del compresor
• Generación de calor por inversor inferior
• Electrónica de potencia más compacta
• Mejor compatibilidad con las arquitecturas de alta tensión

La aplicación es menos universal que el inversor de tracción.

5Calentadores de alta tensión y sistemas auxiliares

Los dispositivos de alimentación de SiC también pueden aparecer en sistemas auxiliares de alto voltaje seleccionados, incluidos:

• Controladores de calentadores PTC
• Electrónica de potencia para bombas de calor
• Pampas eléctricas de refrigerante
• Bombas eléctricas de aceite
• Compresores de aire de pilas de combustible
• Dispositivos de motor auxiliares
• Disruptores de estado sólido
• Las demás:
• Modulos de energía bidireccionales
• Unidades de distribución de alta tensión

Muchos de estos sistemas todavía utilizan dispositivos de silicio.el embalaje compacto o los requisitos de refrigeración reducidos justifican el coste adicional del dispositivo;.

6Equipo de carga rápida en CC

Un cargador rápido de CC no está instalado en el interior del vehículo, pero es una parte importante del ecosistema de energía de los vehículos eléctricos.

Los cargadores rápidos convierten la red de corriente alterna en corriente continua de alto voltaje regulada, que se entrega directamente a la batería de tracción.los módulos de conversión deben soportar voltajes más altos, corrientes y cargas térmicas.

Los MOSFET y diodos SiC pueden ayudar a los módulos de carga a lograr:

• Una mayor eficiencia de conversión de potencia
• Reducción de las pérdidas por cambio
• Frecuencias de conmutación más altas
• Modulos de potencia más pequeños
• Menor demanda de refrigeración
• Potencia de salida superior dentro de un volumen de gabinete limitado

El uso de SiC no determina de forma independiente la velocidad de carga. La velocidad máxima de carga también depende de la batería del vehículo, estado de carga, temperatura de la batería, protocolo de carga,capacidad de cableado y estrategia de gestión térmica.

¿Por qué es importante el SiC para las plataformas eléctricas de 800 V?

Aumentar el voltaje del sistema de baterías permite a un vehículo transmitir la misma potencia a una corriente más baja.

Una corriente más baja puede reducir las pérdidas de resistencia en cables, barras de bus y conexiones eléctricas. También puede soportar una mayor potencia de carga sin requerir un aumento excesivo en el tamaño del conductor.

Sin embargo, una tensión de sistema más alta impone requisitos más exigentes a:

• Tensión de ruptura de semiconductores
• Rendimiento de conmutación
• Aislamiento eléctrico
• Materiales de embalaje
• Distancias de deslizamiento y de despegue
• Sistemas de refrigeración y protección

El carburo de silicio tiene un campo eléctrico crítico mucho más alto que el silicio.

Esto hace que el SiC sea particularmente atractivo para los inversores de tracción de la clase 800 V, los cargadores integrados y los convertidores CC-CC.Es una de las razones por las que la adopción de SiC a menudo comienza con plataformas de vehículos de alto voltaje y alto rendimiento.

¿Qué formas de carburo de silicio se instalan en un vehículo?

Una oblea de SiC en bruto normalmente no se instala directamente en un vehículo eléctrico.

1Crecimiento del cristal de SiC

El material de origen de SiC de alta pureza se procesa a temperaturas extremadamente altas para producir una bola de SiC de un solo cristal.

2Fabricación de sustratos

La bola es orientada, cortada, molida, pulida y limpiada para producir sustratos de SiC.

3Crecimiento epitaxial

En el sustrato pulido se cultiva una capa epitaxial de SiC controlada, cuyo espesor y dopado se diseñan de acuerdo con el voltaje y el rendimiento eléctrico del dispositivo requeridos.

4Fabricación de aparatos

Los procesos de semiconductores a nivel de obleas crean MOSFETs SiC, diodos Schottky u otros dispositivos de energía.

5Envasado y montaje de módulos

Los dispositivos se cortan en trozos, se conectan eléctricamente y se ensamblan en paquetes discretos o módulos de potencia.las placas base y las interfaces de refrigeración,.

6. Integración del sistema automotriz

Los dispositivos o módulos envasados se integran en el inversor, cargador o convertidor.Los sistemas de refrigeración y el software de control deben estar optimizados para el comportamiento eléctrico del SiC..

¿Por qué el SiC mejora la electrónica eléctrica de vehículos eléctricos?

Pérdida de cambio más baja

Los MOSFET de SiC pueden cambiar más eficientemente que los IGBT de silicio en muchas aplicaciones de alto voltaje.

Frecuencia de cambio más alta

Una mayor frecuencia de funcionamiento puede reducir el tamaño de los transformadores, inductores y condensadores seleccionados.La frecuencia más alta también aumenta la importancia de la interferencia electromagnética y el control del diseño del circuito..

Capacidad de alta temperatura

El amplio intervalo de banda del SiC permite el funcionamiento en condiciones de temperatura más exigentes.conductores de puertas y requisitos de fiabilidad del sistema.

Densidad de energía más alta

Una menor pérdida y una mayor frecuencia de conmutación permiten manejar más energía dentro de un volumen más pequeño cuando el sistema completo está diseñado en consecuencia.

Rendimiento de alta tensión

El SiC es adecuado para las clases de voltaje utilizadas en los modernos sistemas de tracción y carga de vehículos eléctricos, en particular las plataformas de alto voltaje.

¿SiC siempre aumenta el alcance de conducción del EV?

El SiC puede reducir las pérdidas de conversión de potencia, pero no existe un porcentaje universal en el que aumente la autonomía del vehículo.

El resultado depende de:

• Tensión y capacidad de la batería
• Eficiencia del motor
• Topología del inversor
• Velocidad de conducción
• Masa y aerodinámica del vehículo
• Temperatura ambiente
• Diseño del sistema de refrigeración
• Estrategia de control
• Ciclo de conducción urbana o de carretera

Los fabricantes pueden utilizar el beneficio de la eficiencia de diferentes maneras: un diseño puede ampliar el alcance de conducción, mientras que otro puede reducir la capacidad de la batería,disminuir el tamaño del sistema de refrigeración o aumentar el rendimiento del vehículo.

Por consiguiente, el SiC debe evaluarse a nivel del sistema y no solo mediante la comparación de las especificaciones individuales de los semiconductores.

¿Por qué no se utiliza SiC en todos los componentes de energía de los vehículos eléctricos?

El carburo de silicio ofrece un alto rendimiento, pero también presenta desafíos técnicos y comerciales.

Costo más alto de los materiales y de los aparatos

El crecimiento de cristales de SiC y el procesamiento de obleas son más difíciles que la fabricación de silicio convencional.

Control de defectos de cristal y superficies

Los micropipos, las dislocaciones, las fallas de apilamiento, los arañazos superficiales y los daños subterráneos pueden afectar el crecimiento epitaxial y el rendimiento del dispositivo.Las aplicaciones automotrices requieren una estricta consistencia y trazabilidad de los materiales.

Requisitos para el conductor de puertas

Los MOSFET SiC cambian rápidamente y requieren controladores de puertas cuidadosamente diseñados, circuitos de protección y control de conmutación.

Inductividad parasitaria

Las transiciones rápidas de corriente y voltaje hacen que el diseño del módulo, el diseño de la barra de bus y la inductancia del paquete sean especialmente importantes.

Interferencia electromagnética

Las velocidades de conmutación más altas pueden crear problemas de compatibilidad electromagnética si el sistema de energía completo no está diseñado correctamente.

Protección contra cortocircuito

Los dispositivos SiC pueden requerir una detección y protección de fallas más rápidas que los IGBT de silicio tradicionales, dependiendo del diseño del dispositivo y del sistema.

Para sistemas de bajo voltaje o sensibles a los costos, los MOSFET y IGBT de silicio pueden proporcionar el mejor equilibrio de rendimiento, madurez y costo.

Selección de sustratos de SiC para el desarrollo de dispositivos de potencia automotriz

La calidad del sustrato de SiC afecta directamente el crecimiento epitaxial y la fabricación del dispositivo.Los compradores deben especificar más que el diámetro y el grosor de la oblea.

Los parámetros importantes de la RFQ incluyen:

• Politipo, comúnmente 4H-SiC
• Tipo de conductividad
• Intervalo de dopantes y resistividad
• Diámetro de la oblea
• Orientación del cristal
• Ángulo y dirección fuera del eje
• Características de las piezas
• espesor nominal y tolerancia
• Variación del grosor total
• Arco y curvatura
• Las demás máquinas y aparatos para la fabricación de plásticos
• La rugosidad de la superficie
• Requisitos de micropípe y dislocación
• Límites de defectos de superficie
• Especificación de bordes, planos o muescas
• Identificación de la oblea y trazabilidad del lote
• Certificado de análisis y requisitos de mapa de obleas
• Requisitos de limpieza y embalaje

Las obleas de investigación, las obleas ficticias y los sustratos para dispositivos no deben tratarse como materiales intercambiables.requisitos de calibración del equipo o de producción del dispositivo.

Conclusión

El carburo de silicio se utiliza principalmente en los sistemas de conversión de energía de alto voltaje de los vehículos eléctricos.convertidores de alta tensión CC-DC y sistemas seleccionados de gestión térmica o de alimentación auxiliar.

Los dispositivos SiC actúan como interruptores electrónicos de alta velocidad. No almacenan energía ni conducen el vehículo directamente mecánicamente. En su lugar, controlan cómo se mueve la energía eléctrica entre la batería, el motor,entradas de carga y electrónica del vehículo.

Su menor pérdida de conmutación, su capacidad de alta tensión y su potencial para una mayor densidad de potencia los hacen particularmente atractivos para vehículos eléctricos de alto rendimiento y de la clase 800 V.el valor final depende del diseño completo del sistema, incluido el embalaje, la conducción de puertas, la refrigeración, la protección y la compatibilidad electromagnética.

A medida que los sistemas eléctricos de vehículos eléctricos continúan avanzando hacia un voltaje más alto, una carga más rápida y una electrónica de potencia más compacta,Se espera que el carburo de silicio desempeñe un papel cada vez más importante junto con los dispositivos de silicio convencionales..