مزايا SiC في صناعة السيارات الكهربائية

باعتبارها مادة أشباه الموصلات واسعة النطاق (WBG)،كربيد السيليكون'يمنحها فرق الطاقة الأوسع خصائص حرارية وإلكترونية أعلى مقارنةً بـ Si التقليدي. تتيح هذه الميزة لأجهزة الطاقة العمل في درجات حرارة وترددات وفولتية أعلى.

كربيد كربيدإن كفاءة استخدام الطاقة في تطبيقات المركبات الكهربائية وغيرها من المنتجات الإلكترونية والكهربائية ترجع إلى حد كبير إلى المادة نفسها. بالمقارنة مع Si، يتميز SiC بالخصائص التالية:

1. 10 أضعاف قوة مجال انهيار العزل الكهربائي؛

2. ضعف سرعة تشبع الإلكترون؛

3. 3 أضعاف فجوة نطاق الطاقة؛

4. 3 مرات أعلى الموصلية الحرارية.

باختصار، مع زيادة جهد التشغيل، تزداد مزاياكربيد كربيدتصبح أكثر وضوحا. بالمقارنة مع Si، تعد مفاتيح 1200V SiC أكثر فائدة من مفاتيح 600V. وقد أدت هذه الخاصية إلى التطبيق الواسع النطاق لأجهزة تبديل الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون، وبالتالي تحسين كفاءة المركبات الكهربائية ومعدات الشحن والبنية التحتية للطاقة بشكل كبير، مما يجعل كربيد السيليكون الخيار الأول لمصنعي السيارات والموردين من الدرجة الأولى.

ولكن في البيئات ذات الجهد المنخفض من 300 فولت وأقل،كربيد كربيدمزاياها صغيرة نسبيًا. في هذه الحالة، هناك شبه موصل آخر واسع النطاق، وهو نيتريد الغاليوم (GaN)، قد يكون له إمكانات تطبيق أكبر.

النطاق والكفاءة

هناك اختلاف رئيسي فيكربيد كربيدمقارنة بـ Si هي كفاءتها الأعلى على مستوى النظام، والتي ترجع إلى كثافة الطاقة الأكبر لـ SiC، وفقدان الطاقة المنخفض، وتردد التشغيل الأعلى، وارتفاع درجة حرارة التشغيل. وهذا يعني نطاق قيادة أعلى بشحنة واحدة، وأحجام بطارية أصغر، وأوقات شحن أسرع للشاحن المدمج (OBC).

في عالم السيارات الكهربائية، تكمن إحدى أكبر الفرص في محولات الجر لأنظمة نقل الحركة الكهربائية التي تعد بدائل لمحركات البنزين. عندما يتدفق التيار المباشر (DC) إلى العاكس، يساعد التيار المتردد المحول (AC) المحرك على التشغيل، مما يؤدي إلى تشغيل العجلات والمكونات الإلكترونية الأخرى. استبدال تقنية Si Switch الحالية بتكنولوجيا متقدمةرقائق كربيد السيليكونيقلل من فقدان الطاقة في العاكس ويمكّن المركبات من توفير نطاق إضافي.

لذلك، يصبح SiC MOSFET عاملاً تجاريًا مقنعًا عندما تصبح خصائص مثل عامل الشكل وحجم العاكس أو وحدة DC-DC والكفاءة والموثوقية اعتبارات رئيسية. يمتلك مهندسو التصميم الآن حلول طاقة أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة لمجموعة متنوعة من التطبيقات النهائية. خذ تسلا على سبيل المثال. في حين أن الأجيال السابقة من السيارات الكهربائية للشركة استخدمت Si IGBT، فإن صعود سوق سيارات السيدان القياسية دفعهم إلى اعتماد SiC MOSFET في الطراز 3، وهو الأول من نوعه في الصناعة.

القوة هي العامل الرئيسي

كربيد كربيدخصائص المواد تجعله الخيار الأول لتطبيقات الطاقة العالية مع درجات الحرارة العالية والتيارات العالية والتوصيل الحراري العالي. ونظرًا لأن أجهزة SiC يمكن أن تعمل بكثافة طاقة أعلى، فإنها يمكنها تمكين عوامل الشكل الأصغر للأنظمة الإلكترونية والكهربائية للسيارات الكهربائية. ووفقا لبنك جولدمان ساكس، فإن الكفاءة غير العادية التي تتمتع بها كربيد السيليكون من الممكن أن تقلل من تكاليف تصنيع وملكية السيارات الكهربائية بما يقرب من 2000 دولار لكل مركبة.

مع وصول سعة البطارية بالفعل إلى ما يقرب من 100 كيلووات في الساعة في بعض السيارات الكهربائية، وخطط الزيادات المستمرة لتحقيق نطاقات أعلى، من المتوقع أن تعتمد الأجيال القادمة بشكل كبير على SiC لكفاءتها الإضافية وقدرتها على التعامل مع طاقة أعلى. من ناحية أخرى، بالنسبة للمركبات منخفضة الطاقة مثل المركبات الكهربائية ذات البابين، أو PHEV، أو المركبات الكهربائية الخفيفة التي تستخدم 20 كيلو وات في الساعة أو أحجام أصغر من البطاريات، فإن Si IGBT يعد حلاً أكثر اقتصادا.

لتقليل فقدان الطاقة وانبعاثات الكربون في بيئات التشغيل ذات الجهد العالي، تفضل الصناعة بشكل متزايد استخدام SiC على المواد الأخرى. في الواقع، قام العديد من مستخدمي السيارات الكهربائية باستبدال حلول Si الأصلية الخاصة بهم بمفاتيح SiC جديدة، مما يؤكد بشكل أكبر على المزايا الواضحة لتقنية SiC على مستوى النظام.