Gamma logo Дистрибьюция
электронных компонентов
Санкт-Петербург, Певческий переулок 12

Автомобильный тяговый преобразователь с использованием технологии SiC от компании Rohm

17.07.20191790

ROHM Semiconductor– мировой лидер в производстве полупроводниковых компонентов

Автомобильный тяговый преобразователь с использованием технологии SiC от компании Rohm

 

Авторы: AlyMashaly, MasaharuNakanishi

Адаптированный перевод:

Роман Плавинский

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Александр Морозов

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

Вступление

Первый карбид кремневый силовой транзистор (SiliconCarbide (SiC)) появился на рынке в 2010 году и сразу же инициировал революцию в области силовой электроники, что привело к массовому использованию SiC устройств в различных областях промышленных приложений и автомобилестроения.Сама жизнь показала –SiC-компоненты являются серьезным конкурентом классическим кремневым решениям. Одной из наиболее перспективных областей, где применение высокоэффективных силовых SiC устройств может обеспечить заметное преимущество – разработка систем управления и силовых приводов электромобилей (ElectricVehicle (EV)). Статья посвящена обзору преимуществ и прикладным аспектам практического применения недавно разработанного силового модуля SiC, производства компании Rohm,и его использованию в преобразователе силовой передачи. Также в статье приведено сравнение производительности карбид кремневого и классического кремневого (Si) преобразователей.

Общие положения

К разработке тяговых преобразователей двигателя предъявляется ряд требований, наиболее важные из которых:высокая надежность в компактном форм-факторе, малая масса при высоком КПД. Кроме того, затраты на разработку и производство продукта должны оставаться низкими, при сохранении всех преимуществ ранее существовавших решений или достижении их более высоких показателей. Перечисленное определяет более строгие требования к проектированию на уровне отдельных узлов и системы в целом, и,в конечном итоге, влияет на все решение, включающее в себя силовые устройства, пассивные компоненты, технологию охлаждения и конструктивные особенности печатных плат.Для достижения кардинального улучшения системы в целом, полупроводниковые устройства должны обеспечивать более высокую мощность, эффективность и надежность при функционировании в условиях перегрузок и в неблагоприятной среде.

Упрощенная структурная схема тягового силового узла показана на рисунке 1. Использование силовых SiC компонентов в инверторе силовой передачи приводит к повышению его эффективности и помогает получить более компактное решение благодаря меньшим потерям при передаче, лучшим показателям проводимости и теплопроводности рабочего объема. Как результат, мы получаем увеличение дальности движения при той же емкости батареи, либо заметное уменьшение размера и массы батареи при той же дальности пробега. Таким образом, повышение эффективности и уменьшение массы в конечном итоге приводит и к  экономической выгоде для конечных пользователей и отрасли в целом.

Рисунок 1. Упрощенная система тягового преобразователя электромобиля (EV)

Сравнение IGBT и SiC модулей.

BSM600D12P3G001 – новый полумостовой модуль в корпусе G-typeот компании Rohm, функционирующий на основе технологииSiCTrenchGate MOSFET [1], [2] и барьерного диода Шоттки (SBD), представлен на рисунке 2.

 

Рисунок 2. Карбид кремневый (SiC) модуль в корпусе G-type

Номинальный постоянный ток стока составляет 600А при TС = 50°C. На приведенных ниже диаграммах показано сравнение модуля G-typeс двумя доступными на рынке IGBT- модулями последнего поколения с одинаковыми номинальными токами. На рисунке 3 показано сравнение выходных характеристик по потерям проводимости SiC MOSFET и IGBT модулей при температуре 150°C.

 

Рисунок 3. Сравнение выходной характеристики модуля G-type и двух модулей IGBT с одинаковыми номинальными токами

Сравнение передаточных потерь при температуре перехода 150°C представлено на рисунке 4. Как видно, суммарные потери модуля G-type с SiC-устройствами оказываются ниже на 65%, чем у IGBT-модулей при номинальном рабочем токе 600А. Благодаря меньшим передаточным потерям, модуль SiC может работать при гораздо более высоких частотах переключения.

 

 

Рисунок 4. Сравнение потерь при передаче между модулем G-type и двумя модулями IGBT с одинаковыми номинальными токами.

 

Тяговый преобразователь

На рисунке 5 показаны два тяговых преобразователя. Левый рассчитан на нагрузки до 200 кВт и использует силовые модули с Si IGBT и Si с быстрым восстановлением (FRD). Описанный преобразователь работает в полевых условиях с 2013 года. Правый преобразователь – новинка, разработанная на основе модулей SiC и рассчитанная на нагрузку до 220 кВт. В дополнение к использованию SiCTrenchGate MOSFET и SiC SBD, в новом преобразователе успешно реализована инновационная концепция управления двигателем, эффективная система охлаждения, применена конструкция шины с малой индуктивностью и меньший номинал конденсатора в цепи постоянного тока. Оба преобразователя относятся к системами с водяным охлаждением и могут использоваться совместно с батареями с напряжением до 800 В [3].

 

Рисунок 5. Сравниваемые преобразователи силовой передачи (инвертор 200 кВт на основе Si IGBT и инвертор 220 кВт на основе SiC MOSFET)

 

В таблице 1 приведено сравнение характеристик описанных преобразователей. Новый преобразователь работает на частоте, которая может варьироваться в зависимости от модели и режима работы двигателя в пределах от 16 кГц до 24 кГц. При этом, даже в нижнем диапазоне частот вращения вала ротора преобразователь использует частоту 16 кГц, чтобы избежать риска возникновения резонанса между контурами, включающими в себя конденсаторы цепей постоянного тока и комплексным импедансом входных кабелей.Хотя доступная максимальная выходная мощность преобразователя на основе SiC MOSFET оказывается на 20 кВт выше, он имеет заметно меньший объем и меньший вес, чем преобразователь на основе Si IGBT. Масса устройства уменьшилась на 6 кг. Перечисленные факторы привели к созданию преобразователя с высокой удельной мощностью – 22 кВт/л, что на 57% выше, чем у традиционного решения на основе IGBT.

Таблица 1 – Сравнение характеристик обоих преобразователей

Преобразователь

Si-IGBT

SiC-MOSFET

Выходная мощность

200 кВт

220 кВт

Максимальный КПД

98.0%

99.1%

Рабочее значение КПД

96.9%

98.2%

Частота передачи

16 кГц

24 кГц

Масса

15.0 кг

9.1 кг

Плотность мощности

14кВт/л

22кВт/л

 

Производительность (КПД и потери)

Рисунки 6 и 7 иллюстрируют изменения КПД преобразователей и потерю мощности транзисторов в зависимости от скорости вращения вала ротора и его крутящего момента в основных рабочих точках. При сравнении эффективности решений и характерных для них потерь использован рабочий профиль, базирующийся на той же конструкции двигателя.

 

Рисунок 6. Сравнение эффективности преобразователей на базе технологий IGBT и SiC

Из рисунка 6 видно, что преобразователь на основе SiC MOSFET имеет КПД более 98% при скорости вращения вала ротора 10 об/мин, а максимальный КПД - до 99,1%.

На рисунке 7 приведены потери мощности транзисторов для обоих преобразователей. При высоком крутящем моменте потери каждого SiC MOSFET (передаточные потери) на 400 Вт ниже, чем для каждого Si IGBT. В итоге, учитывая, что большая часть потерь происходит при передаче, инвертор на основе SiC MOSFET имеет на 2400 Вт меньшие потери, чем инвертор на основе Si IGBT. Более низкие потери приводят к снижению температуры чипа при использовании той же системы охлаждения и увеличивает устойчивость системы к перегрузкам. Что качается системы охлаждения, то у преобразователей на основе SiC MOSFET она установлена снаружи преобразователя, что может дает выигрыш в габаритах более чем в 30% по сравнению с преобразователями на основе Si IGBT.

 

Рисунок 7. Сравнение потерь при коммутации обеих технологий IGBT и SiC

Преимущество SiC на системном уровне

В настоящее время ведется большое количество работ по повышению емкости и нагрузочной способности аккумуляторов [4]. В то же время, этот же эффект может быть достигнут за счет высокой эффективности преобразователей на основе SiC MOSFET,позволяющей уменьшить размер батарей системы EV при сохранении показателей дальности пробега электромобилей. При этом, адекватное получаемому выигрышу снижение емкости используемых аккумуляторов может привести к существенной экономической выгоде.

На рисунке 8 приведен прогноз экономической выгоды, полученной за счёт уменьшения размера батареи, благодаря использованию более эффективного преобразователя. Выгода показана для разных размеров батареи, в привязке к прогнозам по состоянию 2025 году. При этом предполагаемый коэффициент улучшения использования емкости аккумулятора составляет от 3 до 5% в зависимости от КПД преобразователя и стандартного цикла вождения (штатного использования) для пассажирских транспортных средств [5].

При этом для типового размера микросхемы SiC MOSFET в 25 мм² и номинального напряжения 1200 В учитывались значения выходного тока в 100Arms (среднеквадратическое значение тока в амперах). Из приведённой диаграммы видно, что преобразователь, рассчитанный на 400Arms, может обеспечить экономическую выгоду на системном уровне, при использовании батарей емкостью не менее 32 кВтч. Для преобразователя, рассчитанных на токи в 600Arms, выигрыш покажут батареи с нагрузочной способностью,  превышающей 48 кВтч.

 

Рисунок 8. Прогноз экономической эффективности использования преобразователей на основе SiC MOSFET от нагрузочной способности батарей(данные в привязке прогноза к 2025 г.)

Заключение

В сравнении с традиционными решениями на Si IGBT,разработанный компанией Rohm карбид кремневый модуль,помимо характерных для новой технологии существенно меньших внутренних потерь, благодаря новому корпусу G-type,имеет и меньшую индуктивность в сочетании с более высокой способностью рассеивать тепловые потери. Тяговый преобразователь, использующий новый модуль, при выходной мощности 220 кВт достигает эффективности 99,1%. Кроме того, преобразователи на основе SiC MOSFET имеют меньший вес и объем, чем конструкции на основе Si IGBT. При типовых решениях плотность мощности составляет 22 кВт/л, что на 57% выше, чем у решений на основе Si IGBT. Новый преобразователь экономически выгоден и для конечных пользователей, а также для EV-индустрии в целом, так как увеличивает дальность пробега электромобилей при фиксированной емкости батареи, либо позволяет уменьшить её размер при сохранении заданных ходовых параметров электромобиля.

 

Использованные источники

[1] T. Nakamura, Y. Nakano, M. Aketa, R. Nakamura, S. Mitani, H. Sakairi, Y. Yokotsuji: “High performance SiC Trench devices with ultra-low Ron”, IEDM 2011

[2] R. Nakamura, Y. Nakano, M. Aketa, N. Kawamoto, K. Ino: “1200V 4H-SiC Trench Devices”, PCIM Europe 2014

[3] M. Nakanishi, K. Hayashi, A. Enomoto, M. Hayashiguchi, M. Ando, K. Ino, ROHM Co., Ltd, Japan, C. Felgemacher, A. Mashaly, G. Richard, “ Automotive Traction Inverter utilizing SiC Power Module” PCIM 2018

[4] New Energy and Industrial Technology Development Organization: “Secondary battery technology development roadmap 2013”

[5] World Harmonized Light Duty Test Procedure

 

Авторы адаптивного перевода:

Роман Плавинский – prv@gamma.spb.ru

Морозов Александр – mas@gamma.spb.ru

Поделиться: twitter fb vk

Похожие статьи

24.05.20161697
Высокоэффективный  DC/DC Buck-конвертер 76В  от ROHM Semiconductor – BD9G341AEFJ

Высокоэффективный DC/DC Buck-конвертер 76В от ROHM Semiconductor – BD9G341AEFJ

ROHM объявляет о выпуске понижающего DC / DC конвертера с рабочим диапазоном входного напряжения от 12 до 76В,максимальным выходным током 3А и встроенным 76В MOSFET...
Читать подробнее...

Подписаться на рассылку

Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с условиями пользовательского соглашения
Яндекс.Метрика