Autoteollisuus on siirtymässä kohti kestävämpää tulevaisuutta, kun ala tuo markkinoille yhä enemmän hybridi- ja täyssähköautoja sekä polttokenno- käyttöisiä autoja. Kriittisten toimintojen sähköistäminen vaatii luotettavia ratkaisuja suuritehoisten järjestelmien luomiseen, jakeluun ja ohjaamiseen. Piikarbidi on tässä avainroolissa.

Ajoneuvon varastoiman ja käyttämän sähköenergian määrän kasvaessa tehotiheyden ja hyötysuhteen tarve kasvaa. Tehokas valvonta ja ohjaus ovat välttämättömiä sähköisten osajärjestelmien tehokkaan ja luotettavan toiminnan kannalta. Puolijohdetoimittajat, kuten Microchip, tarjoavat laajan valikoiman laitteistoja ja ohjelmistoja, integroituja kehitystyökaluja ja piikarbidin (SiC) mahdollistamia korkean hyötysuhteen tehoratkaisuja, jotka helpottavat sähkö- ja hybridijärjestelmien kehittämistä.

Autoteollisuuden osajärjestelmien suunnittelijat pyrkivät jatkuvasti kehittämään innovatiivisia ratkaisuja laajentaakseen sähköautojen kantamaa ja lyhentääkseen latausaikaa. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi he ovat työstäneet piipohjaisia tekniikoita lähelle fyysisiä rajojaan koon, painon ja tehokkuuden suhteen ja ovat siirtymässä piikarbidiratkaisuihin vastatakseen näihin haasteisiin.

Piihin verrattuna SiC-laitteet tarjoavat pienemmän päällekytkentävastuksen, nopeammat kytkentänopeudet ja kyvyn kestää suurempia jännitteitä ja virtoja korkeammissa liitoslämpötiloissa. Toinen piikarbidin keskeinen etu on sen pienempi koko: se mahdollistaa suuremman tehotiheyden, mikä on kriittistä monissa keskeisissä sähköautosovelluksissa. Ei ole yllättävää, että laajan kaistaeron piikarbiditehopuolijohteiden automarkkinoiden odotetaan kasvavan 13- kertaiseksi nykyisestä noin miljardista dollarista vuoteen 2030 mennessä. (Omdia, SiC power Semiconductors by application, 2022)

Suuntaus kohti korkeampia jännitteitä, kuten 800 V sähköautoissa, ohjaa uusia suunnitteluja vetoinverttereille, DC-DC- muuntimille, moottorien latureille sekä lämpöpumppujen ja polttokennojen kompressoreille. Korkeajännitteiset SiC- pohjaiset MOSFETit ja diodit sopivat hyvin sähköautoihin, erityisesti kaupallisiin ja off- road-sovelluksiin, joissa komponenttien saatavuus on avainasemassa.

Nykyisin tavallisen 400 V:n latausinfrastruktuurin verkon on tuettava myös uudempien 800 V ajoneuvojen lataamista. Kasvava suurjännitteiden tarve ajaa DC-DC-tehostinmoduulien kehittämistä autoon yhdistämään jännitekiskot.

SiC-tekniikka voi toimia myös puolijohdekatkaisijan tai e-sulakkeen kytkentäelementtinä, joka suojaa ajoneuvon sähkökomponentteja ja diagnosoi vikatapahtumat ennen vakavaa vikaa. Korjausseisokkeja ja kustannuksia voidaan säästää mekaanisiin ratkaisuihin verrattuna paremmilla diagnoosi- ja konfigurointivaihtoehdoilla.

Samaan aikaan kysyntä kasvaa nopealle tasavirtalatausinfrastruktuurille, jotta ajoneuvo voidaan ladata nopeasti. Tämä on erityisen tärkeää kaupallisissa sovelluksissa kuorma-autoista ja linja-autoista kaivos- ja rakennuskoneisiin, joiden on toimittava mahdollisimman pitkään.

Puolijohdekatkaisijat

Piikarbidin käyttö puolijohdekatkaisijassa tuo monia etuja perinteisiin piirisuojaratkaisuihin verrattuna. Tekniikka voi kytkeä nopeasti käyttämällä ohjelmistokonfiguroitavaa matkaprofiilia, esimerkiksi LIN-liitännän kautta sillä voidaan katkaista piiri mikrosekunneissa eli 100–500 kertaa nopeammin kuin perinteisissä mekaanisissa lähestymistavoissa.

E-sulake on nollattavissa fyysisten sulakkeiden vaihtamisen välttämiseksi, mikä tarjoaa luotettavan ja pitkäaikaisen ratkaisun, jos virtapiiri katkeaa säännöllisesti. Mahdolliset sähkökaarien riskit kytkettäessä suurjännitteisiä tasavirtoja mekaanisilla koskettimilla eliminoidaan käytettäessä puolijohdepohjaista e-sulake-ratkaisua.

Microchipin e-sulake-tekniikan demonstraattori, jossa on 700 V ja 1 200 V mSiC MOSFET-kytkimet, yhdistää virrantunnistuksen, vahvistimet, LIN- liitännän ja 8-bittisen PIC-mikro-ohjaimen, jossa on ytimestä riippumattomat oheislaitteet, ja tarjoaa valmiin ja erittäin integroidun ratkaisun. Kaikki komponentit ovat saatavilla AEC-hyväksynnällä. TCC- käyrän (Time-Current Characteristic) avulla suunnittelijat voivat siirtymään perinteisistä sulakkeista tai kontaktoreista e-sulakkeen käyttöön. Demossa oikosulkukestoaika on jopa 10 mikrosekuntia jopa 30 A nimellisvirralla.

Pikalataus

Sähköautot, hyötyajoneuvot ja maastoajoneuvot pitää olla mahdollista ladata nopeasti. Vaikka auto voi olla ajotiellä yön yli latautumassa, bussien tai rakennuskoneiden on toimittava tehokkaasti koko päivän tai yön. Näissä ollaan siirtymässä 800 V:n tai jopa 1000 V:n akkuihin. Näin saadaan tarvittavat tehotasot isommille ajoneuvoille, joilla on raskaita kuormia.

Nämä auton sisäiset laturisuunnittelut tarvitsevat korkeampaa tehoa, mihin SiC-tekniikka tarjoaa optimaalisen ratkaisun. Laitteet, joiden nimellisjännite on 1200 V ja jopa 1700 V, tarjoavat kehittäjille enemmän suunnittelumarginaalia. Tämä voi johtaa ajoneuvon korkeampaan huipputehokkuuteen, tai pienentää redundanssia ja helpottaa elementtien valmistusta.

Piikarbidin korkeampi hyötysuhde pii-IGBT: hen verrattuna tarkoittaa, että tarvitaan myös pienempiä jäähdytyselementtejä, mikä vähentää ajoneuvon painoa.

Microchipin eristetyn 30 kW:n DC-DC-laturin demonstraatio perustuu korkeille jännitepiikeille (avalanche-rated) suunniteltuihin 1200 V mSiC MOSFETeihin ja 1200 V kaksois-mSiC-diodeihin. Suunnittelussa on yli 98 prosentin huippuhyötysuhde, 650–750 V tulojännite ja 150–600 V lähtöjännite 50–60 ampeerin maksimivirralla 140 kHz:n kytkentätaajuudella. Piirilevyasettelu on optimoitu turvallisuutta, virtaa ja mekaanista rasitusta ja kohinansietoa varten.

Lisäksi on saatavana kolmivaiheinen 30 kilowatin PFC-referenssisuunnittelu (Power Factor Correction) Vienna-topologiassa, joka perustuu SiC-piireihin. PFC:t vaaditaan yleensä tekemään AC-DC-muunnoksia ja pitämään AC-tulovirran vaihesiirtymä tarkasti määritellyissä rajoissa AC-tulojännitteeseen nähden. Tämä varmistaa lähes yhtenäisen tehokertoimen ja pienen kokonaisharmonisen särön (THD).

Jatkossa energian syöttäminen ajoneuvon akusta takaisin verkkoon on vaadittu ominaisuus. Tämä kaksisuuntaisen lataus voidaan toteuttaa toisella 11 kW:n SiC- pohjaisella tehokertoimen PFC-korjaimella. Sekä DC-DC että PFC voidaan yhdistää modulaarisesti.                

Rakennuspalikat 150 kilowatin laturia varten

Piikarbidi on avainasemassa myös latausinfrastruktuurissa. Samat edut korkeammista jännitteistä ja virroista yhdistettynä korkeampaan hyötysuhteeseen pienemmissä jäähdytyselementeissä johtavat pienempiin laturisuunnitteluihin. Vaikka laturin koko ei ole yhtä kriittinen kaupallisissa ja maastoajoneuvoissa, joita ladataan yön yli, se on tärkeä kaksisuuntaisten tasavirtalatureiden verkoissa, jotka ovat yleistymässä.

Samoin julkiset 3-tason DC-pikalaturit ohittavat ajoneuvon sisäisen laturin (OBC) ja lataavat akun suoraan sähköauton akunhallintajärjestelmän (BMS) kautta. Auton sisäisen akun ohittaminen mahdollistaa huomattavasti suuremmat latausnopeudet laturin lähtöteholla 50-350 kilowattia.

Modulaarinen rakenne tarkoittaa, että PFC- etuasetta käytetään AC-DC-muunnokseen, usein korkeammista vaihtojännitteistä kuten 480 V, sarjalla eristettyjä DC-DC- muunninmoduuleja rinnakkain virran tuottamiseksi ajoneuvolle.

Tämän lähestymistavalla voidaan kehittää perusmoduuleista erilaisia latureita ajoneuvo-operaattorin erilaisiin vaatimuksiin. Ajoneuvojen tarpeiden kehittyessä ja niiden vaatiessa suurempaa tehoa nopeampaan lataukseen voidaan latausinfrastruktuuria varioida SiC-komponenttien avulla. Tätä lähestymistapaa käytetään pikalatausjärjestelmissä 150 kilowattiin asti ja vielä tätäkin tehokkaammissa järjestelmissä.

Digitaalisen virranhallinnan ja SiC MOSFETtien ja -diodien yhdistelmän käyttö mahdollistaa suunnittelut, jotka tarjoavat korkean järjestelmätason hyötysuhteen ja integrointiasteen, korkean tehotiheyden, edistyneitä digitaalisia ohjaussilmukoita ja joustavuutta erilaisissa tehotopologioissa tasavirta-pikalaturisovelluksiin. Nämä voidaan yhdistää analogisiin ja virranhallinnan komponentteihin, langattomiin ja langallisiin liitäntöihin, energianmittaukseen, muistiin, tietoturva- ja käyttöliittymälaitteisiin 3-tason pikalaturin suunnittelun täydentämiseksi.

Tuotteita joka alueelle

Laajan kaistaeron kuten SiC ovat avainasemassa sähköisessä liikkumisessa, jossa se mahdollistaa korkeamman tehonmuunnoksen hyötysuhteen, tehotiheyden ja luotettavuuden. Microchip voi auttaa suunnittelijoita ottamaan piikarbidin käyttöön helposti, nopeasti ja luotettavasti mSiC-tehokomponenttien ja -ratkaisujen avulla. Tuotevalikoima pitää sisällään piikarbidisiruja, erillispiirejä ja moduuleja 700 V - 3,3 kV jännitealueelle.

Lisäksi tuoteportfolioon kuuluvat MPU-, MCU-, Wi-Fi/Bluetooth- ja mittaussirut sekä graafiset kosketusnäyttöön perustuvat käyttöliittymä latureissa käytettäville sovelluksille. Ajoneuvopuolella sen Automotive-luokan digitaaliset signaaliohjaimet, ajoneuvon sisäiset verkkokomponentit ja ajurit laajentavat tuotevalikoimaa.

Kattava ratkaisu sisältää myös ohjelmistopaketit parannetuille moottori- ja kytkintilan tehonsäätöalgoritmeille sekä autoteollisuuden ohjelmistopinot ja diagnoosikirjastot toiminnallisen turvallisuuden takaamiseksi.

Artikkeli on ilmestynyt uudessa ETNdigi-lehdessä. Sitä pääset lukemaan täällä.