Le carbure de silicium est devenu l'un des matériaux semi-conducteurs les plus importants dans l'électronique de puissance des véhicules électriques.moteur électrique ou carrosserie de véhicule.

Au lieu de cela,déchets de carbure de siliciumCes dispositifs contrôlent et convertissent l'électricité haute tension à l'intérieur du véhicule.

Les principales applications automobiles comprennent les onduleurs de traction, les chargeurs embarqués, les convertisseurs CC-CC haute tension et certains systèmes d'alimentation auxiliaire.Le SiC est également de plus en plus important dans les infrastructures de recharge.

Résumé rapide des applications du SiC dans les véhicules électriques

Comprendre le flux d'énergie dans un véhicule électrique

Une batterie de traction électrique fournit un courant continu, tandis que le moteur de propulsion nécessite normalement un courant alternatif contrôlé.Le freinage régénératif et l'alimentation en électronique basse tension nécessitent tous la conversion d'électricité entre différentes tensions et formes.

Ces conversions sont effectuées par des systèmes électroniques de puissance.

Les véhicules électriques traditionnels utilisent couramment des IGBT en silicium, des MOSFET en silicium et des diodes en silicium.Le fonctionnement à basse tension et la fabrication établie sont les principales priorités.

Cependant, à mesure que la tension et la puissance du véhicule augmentent, les pertes de commutation, la production de chaleur et la taille des composants deviennent plus importantes.

1Invertisseur de traction: la plus importante application de SiC dans un véhicule électrique

L'onduleur de traction est actuellement l'application automobile la plus importante du carbure de silicium.

Pendant l'accélération, l'onduleur convertit l'électricité CC de la batterie de traction en électricité CA en trois phases pour le moteur.

Pendant le freinage régénératif, le processus de conversion fonctionne à l'envers.

Comme l'onduleur de traction commute à plusieurs reprises des tensions élevées et de gros courants, il peut produire des pertes de conduction et de commutation considérables.mais leur comportement de commutation peut limiter l'efficacité à des fréquences de fonctionnement plus élevées.

Les MOSFET SiC peuvent fournir:

• Perte de changement plus faible
• Résultats de l'analyse de risque
• Fréquences de commutation plus élevées
• Capacité à haute tension
• Réduction des besoins de refroidissement dans un système optimisé
• Augmentation de la densité de puissance de l'onduleur
• Réductions potentielles de la taille et du poids de l'onduleur

L'amélioration réelle de l'efficacité dépend de la vitesse du véhicule, de la charge du moteur, de la stratégie de commutation, de la conception du refroidissement et du cycle de conduite.mais la réduction des pertes de l'onduleur peut améliorer l'utilisation globale de l'énergie.

L'avantage est souvent particulièrement précieux lors d'un fonctionnement à charge partielle, de la conduite sur autoroute et d'autres conditions dans lesquelles l'efficacité de l'électronique de puissance affecte fortement la consommation totale du véhicule.

2Chargeur à bord.

Le chargeur embarqué, ou OBC, convertit l'électricité CA externe en électricité CC contrôlée pour charger la batterie de traction.

Ses étapes de conversion de puissance peuvent comprendre:

• Filtrage des entrées CA
• Correction du facteur de puissance
• Conversion du courant alternatif en courant continu
• Conversion CC-DC isolée ou non isolée
• Régulation de la tension et du courant de la batterie

Les MOSFET SiC et les diodes SiC Schottky peuvent être utilisées dans la correction du facteur de puissance et les étapes CC-DC. Leur capacité de commutation haute fréquence permet aux ingénieurs de réduire la taille de certains transformateurs,autres appareils pour la fabrication de lampes de poche.

Les avantages potentiels pour les OBC sont les suivants:

• Efficacité de conversion accrue
• Génération de chaleur réduite
• Composants magnétiques plus petits
• Densité de puissance plus élevée
• Faible poids du système
• Amélioration de l'adéquation aux batteries haute tension

Les chargeurs bidirectionnels embarqués peuvent également prendre en charge le fonctionnement du véhicule vers le réseau, du véhicule vers la maison ou du véhicule vers la charge.Ces fonctions nécessitent une conversion d'énergie bidirectionnelle efficace et représentent une autre application potentielle pour les commutateurs SiC.

Cependant, le choix des composants dépend toujours de la puissance du chargeur, de la topologie de commutation, de la tension, des exigences thermiques et du coût cible.

3Convertisseur CC-DC haute tension

Un véhicule électrique contient normalement des systèmes électriques à haute et basse tension.

La batterie de traction peut fonctionner à plusieurs centaines de volts, tandis que l'éclairage, l'infotainment, les capteurs, les contrôleurs et autres appareils électroniques fonctionnent généralement à partir d'un système de 12 V ou 48 V.

Le convertisseur CC-DC haute tension réduit la tension de la batterie de traction à la basse tension requise.

Les dispositifs SiC peuvent être utilisés dans des convertisseurs CC-CC de haute puissance pour fournir une commutation efficace et réduire la taille du système.pouvant réduire la taille des composants magnétiques.

Tous les convertisseurs CC-DC automobiles ne nécessitent pas de SiC. Les MOSFET en silicium peuvent rester plus économiques pour les étapes à faible puissance ou à basse tension.La valeur de SiC augmente lorsque le convertisseur doit gérer une tension d'entrée élevée, haute puissance et conditions thermiques exigeantes.

4Compresseur de climatisation électrique

Contrairement à un moteur à combustion interne, un véhicule électrique ne peut pas dépendre de la chaleur résiduelle du moteur pour gérer toutes les exigences de température de la cabine et de la batterie.Les pompes à liquide de refroidissement et les appareils de chauffage haute tension jouent donc un rôle important dans la gestion thermique des véhicules..

Un compresseur de climatisation électrique contient un moteur et un onduleur qui le contrôle.Les MOSFET SiC peuvent être utilisés dans certains onduleurs de compresseurs haute tension pour réduire les pertes de puissance et améliorer les performances à haute température.

Les avantages possibles sont les suivants:

• Amélioration de l'efficacité de l'entraînement du compresseur
• Génération de chaleur par onduleur inférieure
• électronique de puissance plus compacte
• Une meilleure compatibilité avec les architectures haute tension

L'application est moins universelle que celle de l'onduleur de traction.

5- chauffeurs haute tension et systèmes auxiliaires

Les dispositifs d'alimentation SiC peuvent également apparaître dans certains systèmes auxiliaires haute tension, notamment:

• Contrôleurs de chauffage PTC
• électronique de puissance de pompe à chaleur
• Pompes électriques de liquide de refroidissement
• Pompes à huile électriques
• Compresseurs d'air à pile à combustible
• Moteurs auxiliaires
• Disjoncteurs à l'état solide
• Les fusibles électroniques
• Modules d'alimentation bidirectionnels
• Unités de distribution haute tension

La plupart de ces systèmes utilisent encore des dispositifs en silicium. Le SiC est plus susceptible d'être sélectionné lorsque la haute tension, la fréquence de commutation élevée,l'emballage compact ou les exigences de refroidissement réduites justifient le coût supplémentaire du dispositif;.

6Équipement de recharge rapide en courant continu

Un chargeur rapide en courant continu n'est pas installé à l'intérieur du véhicule, mais il constitue une partie importante de l'écosystème de l'énergie des véhicules électriques.

Les chargeurs rapides convertissent le courant alternatif en courant continu à haute tension régulé, qui est livré directement à la batterie de traction.les modules de conversion doivent supporter des tensions plus élevées, courants et charges thermiques.

Les MOSFET et les diodes SiC peuvent aider les modules de charge à atteindre:

• Efficacité accrue de la conversion de puissance
• Réduction des pertes de changement
• Fréquences de commutation plus élevées
• Modules de puissance plus petits
• Diminution de la demande de refroidissement
• Puissance de sortie plus élevée dans un volume de cabine limité

L'utilisation de SiC ne détermine pas indépendamment la vitesse de charge. Le taux de charge maximal dépend également de la batterie du véhicule, de l'état de charge, de la température de la batterie, du protocole de charge,capacité des câbles et stratégie de gestion thermique.

Pourquoi le SiC est-il important pour les plates-formes électriques à 800 V?

L'augmentation de la tension du système de batterie permet à un véhicule de transmettre la même puissance à un courant inférieur.

Un courant plus faible peut réduire les pertes de résistance dans les câbles, les barres de bus et les connexions électriques.

Cependant, une tension de système plus élevée impose des exigences plus élevées:

• Voltage de rupture des semi-conducteurs
• Performance de commutation
• Isolement électrique
• Matériaux d'emballage
• Distance de rampage et de dégagement
• Systèmes de refroidissement et de protection

Le carbure de silicium a un champ électrique critique beaucoup plus élevé que le silicium.

Cela rend le SiC particulièrement attrayant pour les onduleurs de traction de classe 800 V, les chargeurs embarqués et les convertisseurs CC-CC.C'est l'une des raisons pour lesquelles l'adoption du SiC commence souvent avec les plateformes de véhicules à haute tension et à haute performance..

Quelles formes de carbure de silicium sont installées dans un véhicule?

Une plaque de SiC brute n'est normalement pas installée directement dans un véhicule électrique.

1. Croissance des cristaux de silicium

Le matériau source de SiC de haute pureté est traité à des températures extrêmement élevées pour produire une boule de SiC monocristalline.

2Fabrication de substrats

La boule est orientée, tranchée, broyée, polie et nettoyée pour produire des substrats SiC. Pour les appareils électriques automobiles, le 4H-SiC conducteur est couramment utilisé.

3Croissance épitaxienne

Une couche épitaxielle de SiC contrôlée est cultivée sur le substrat poli. Son épaisseur et son dopage sont conçus en fonction de la tension et des performances électriques requises du dispositif.

4Fabrication de dispositifs

Les procédés de semi-conducteurs au niveau des plaquettes créent des MOSFET SiC, des diodes Schottky ou d'autres dispositifs de puissance.

5Emballage et assemblage des modules

Les dispositifs sont découpés en morceaux, connectés électriquement et assemblés en paquets ou modules d'alimentation distincts.plaques de base et interfaces de refroidissement.

6Intégration des systèmes automobiles

Les dispositifs ou modules emballés sont intégrés dans l'onduleur, le chargeur ou le convertisseur.Les systèmes de refroidissement et les logiciels de commande doivent tous être optimisés pour le comportement électrique du SiC..

Pourquoi le SiC améliore-t-il l'électronique électrique des véhicules électriques?

Perte de commutation réduite

Les MOSFET SiC peuvent passer plus efficacement que les IGBT en silicium dans de nombreuses applications haute tension.

Fréquence de commutation plus élevée

Une fréquence de fonctionnement plus élevée peut réduire la taille des transformateurs, inducteurs et condensateurs sélectionnés.Une fréquence plus élevée augmente également l'importance des interférences électromagnétiques et du contrôle de la disposition des circuits..

Capacité à haute température

La large bande passante du SiC permet le fonctionnement dans des conditions de température plus exigeantes.les pilotes de porte et les exigences de fiabilité du système.

Densité de puissance plus élevée

Une perte plus faible et une fréquence de commutation plus élevée permettent de manipuler plus de puissance dans un volume plus petit lorsque le système complet est conçu en conséquence.

Performance à haute tension

Le SiC est bien adapté aux classes de tension utilisées dans les systèmes modernes de traction et de recharge de véhicules électriques, en particulier les plates-formes haute tension.

Le SiC augmente-t-il toujours l'autonomie des véhicules électriques?

Le SiC peut réduire les pertes de conversion de puissance, mais il n'existe pas de pourcentage universel pour augmenter l'autonomie du véhicule.

Le résultat dépend de:

• Voltage et capacité de la batterie
• Efficacité du moteur
• Topologie de l'onduleur
• Vitesse de conduite
• Masse du véhicule et aérodynamique
• Température ambiante
• Conception du système de refroidissement
• Stratégie de contrôle
• Cycle de conduite urbain ou routier

Les constructeurs peuvent utiliser l'avantage d'efficacité de différentes manières: une conception peut élargir l'autonomie, tandis qu'une autre peut réduire la capacité de la batterie,réduire la taille du système de refroidissement ou augmenter les performances du véhicule.

Le SiC devrait donc être évalué au niveau du système et non seulement en comparant les spécifications individuelles des semi-conducteurs.

Pourquoi le SiC n'est-il pas utilisé dans tous les composants d'alimentation des véhicules électriques?

Le carbure de silicium offre des performances élevées, mais présente également des défis techniques et commerciaux.

Coût plus élevé des matériaux et des équipements

La croissance des cristaux de SiC et le traitement des plaquettes sont plus difficiles que la fabrication conventionnelle de silicium.

Contrôle des défauts de cristal et de surface

Les micropipes, les dislocations, les défauts d'empilement, les rayures de surface et les dommages sous-terrestres peuvent affecter la croissance épitaxienne et le rendement du dispositif.Les applications automobiles nécessitent une stricte cohérence et traçabilité des matériaux.

Exigences relatives au porteur

Les MOSFET SiC changent rapidement et nécessitent des pilotes de porte soigneusement conçus, des circuits de protection et un contrôle de commutation.

Inductivité parasitaire

Les transitions rapides de courant et de tension rendent particulièrement importantes la disposition du module, la conception de la barre de bus et l'inductivité du paquet.

Interférences électromagnétiques

Des vitesses de commutation plus élevées peuvent créer des problèmes de compatibilité électromagnétique si le système d'alimentation complet n'est pas correctement conçu.

Protection contre le court-circuit

Les dispositifs SiC peuvent nécessiter une détection et une protection des défauts plus rapides que les IGBT en silicium traditionnels, selon la conception du dispositif et du système.

Pour les systèmes à basse tension ou à faible coût, les MOSFET et les IGBT en silicium peuvent encore fournir le meilleur équilibre entre performance, maturité et coût.

Sélection des substrats SiC pour le développement d'appareils électriques automobiles

La qualité du substrat SiC affecte directement la croissance épitaxielle et la fabrication du dispositif.Les acheteurs doivent spécifier plus que le diamètre et l'épaisseur de la gaufre.

Les paramètres RFQ importants sont les suivants:

• Polytypes, généralement 4H-SiC
• Type de conductivité
• Plage de dopant et de résistivité
• Diamètre de la gaufre
• Orientation cristalline
• Angle et direction hors axe
• Faces Si ou C
• Épaisseur nominale et tolérance
• Variation totale de l'épaisseur
• Voile et distorsion
• Polissage à un ou deux côtés
• Roughness de la surface
• Exigences en matière de micropipe et de dislocation
• Limites de défauts de surface
• Spécification des bords, des bords plats ou des encoches
• Identification des plaquettes et traçabilité du lot
• Certificat d'analyse et exigences en matière de carte des wafers
• Exigences en matière de nettoyage et d'emballage

Les plaquettes de recherche, les plaquettes fictives et les substrats de qualité de dispositif ne doivent pas être traités comme des matériaux interchangeables.exigences en matière d'étalonnage de l'équipement ou de production du dispositif.

Conclusion

Le carbure de silicium est principalement utilisé dans les systèmes de conversion de puissance haute tension des véhicules électriques.convertisseurs CC-DC haute tension et systèmes de gestion thermique ou d'alimentation auxiliaire sélectionnés.

Les appareils SiC agissent comme des interrupteurs électroniques à grande vitesse. Ils ne stockent pas d'énergie ou ne conduisent pas directement le véhicule mécaniquement.entrée de charge et électronique du véhicule.

Leurs pertes de commutation plus faibles, leur capacité à haute tension et leur potentiel de densité de puissance plus élevée les rendent particulièrement attrayants pour les véhicules électriques de haute performance et de la classe 800 V.la valeur finale dépend de la conception complète du système, y compris l'emballage, la conduite des portes, le refroidissement, la protection et la compatibilité électromagnétique.

Alors que les systèmes électriques de véhicules électriques continuent de progresser vers une tension plus élevée, une charge plus rapide et une électronique de puissance plus compacte,Le carbure de silicium devrait jouer un rôle de plus en plus important aux côtés des dispositifs de silicium classiques..