بالمقارنة مع القطاعات الأخرى للطلب على الطاقة ، مثل الصناعة والسكنية ، فإن كهربة صناعة السيارات تقود الطريق نحو تحقيق أهداف صافي انبعاثات الكربون الإجمالية المحددة في اتفاقيات تغير المناخ. يقدر المحللون أن مجموعة المركبات الهجينة والمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية بالكامل (EVs) ستتجاوز 50 ٪ من صافي مبيعات السيارات الجديدة بحلول عام 2028. ستسلط هذه المقالة الضوء على عرض تقديمي قدمه الدكتور مرينال داس ، المدير الأول للتسويق الفني في المركز المتقدم قسم الطاقة ، نصف ، في 2023 PowerUp Expo. قدم هذا الحديث ، بعنوان “ديناميكيات السوق لثورة السيارات كربيد السيليكون للكهرباء” ، حلول onsemi في أشباه موصلات الطاقة من كربيد السيليكون (SiC) لسوق السيارات الكهربائية.
اتجاهات الطاقة العاكس EV الجر
لقد وجدت SiC MOSFETs مساحة تطبيق مثالية في عاكس الجر EV. لقد ترجم تردد التحويل العالي ، والخسارة الأقل ، والأداء المحسن لدرجات الحرارة العالية إلى تحسينات في الكفاءة والحجم في نظام العاكس. يمكن أن يفيد هذا العميل النهائي باعتباره نطاق قيادة محسنًا لشحن بطارية معين. يوضح الشكل 1 اتجاهًا لتصنيف طاقة عاكس الجر للأنواع المختلفة من المركبات الكهربائية ، مثل المكونات الإضافية والهجينة (PHEV و HEV) والبطارية بالكامل (BEV). في عام 2022 ، بلغ إجمالي السوق القابل للعنونة (TAM) من SiC حوالي مليار دولار أمريكي. من المتوقع أن ينمو هذا إلى 5 مليار دولار بحلول عام 2028. تهيمن Si IGBTs على مساحة العاكس المنخفضة والمتوسطة الطاقة (<150 كيلو وات) اليوم ، ولكن هذا يتغير بسرعة مع زيادة استخدام SiC ، خاصة في> 80 مساحة كيلوواط. عادةً ما يستخدم سوق السيارات التي يزيد وزنها عن 200 كيلوواط في السيارات الكهربائية عالية الأداء والسيارات الرياضية متعددة الاستخدامات والشاحنات أجهزة SiC. أحد الاتجاهات التي نراها في الشكل 1 هو تقلص توقعات الطلب في قطاعات PHEV و HEV ذات الطاقة المنخفضة والزيادة المقابلة في الطلب على محولات الطاقة الأعلى.
تطور SiC MOSFET في نصف
أسفرت عدة سنوات من الخبرة في جميع جوانب تطوير تكنولوجيا SiC عن تحسينات كبيرة في أجهزة Onsemi SiC MOSFET ، التي يتم تسويقها تحت اسم EliteSiC. تتطلب طاقة إمداد البطارية 400-800 فولت مكونات عاكس مصنفة من 600 إلى 1200 فولت أثناء التشغيل عند المستويات الحالية حتى 1000 أمبير لكل مرحلة. كان التركيز في الماضي على تقنية MOSFET المستوية ، وهذا يمثل المنتجات الحالية التي تم إصدارها. كما هو مبين في الشكل 2 ، تطورت M1 المستوي 1200V MOSFET إلى جهاز M3S مع تحسن كبير في خطوة الخلية وعملية الرقاقة الرقيقة ، مما أدى إلى تحسين مقاومة MOSFET المحددة على الحالة (RDS (تشغيل)).
جهاز M3E هو أحدث مستوي SiC مخطط لإصداره ، والذي يوفر أفضل أداء في فئته مع تحسين المقايضة بين الجهاز RDSon وأداء ماس كهربائى.
توفر Trench SiC MOSFETs مزيدًا من الانكماش ومزايا أداء الجهاز الأخرى ، كما أن أجهزة الخندق M4T المخطط لها لعقد 750 فولت و 1200 فولت قيد التطوير الآن.
بعض ميزات الرقاقة الذكية المضافة إلى القالب موضحة في الشكل 3. وتشمل هذه طبقة إعادة التوزيع (RDL) من أجل المرونة في موقع وحجم لوحة البوابة. يعمل التكامل الأحادي لجهاز استشعار درجة الحرارة ووجود مقاوم بولي قابل للضبط لضبط مقاومة البوابة على تسهيل تعديلات التصميم ومراقبة النظام. يتم أيضًا تضمين خيارات المعدنة لكل من ملحقات اللحام والتلبيد.
تحسينات تغليف الوحدة النمطية
يعد تحسين عبوة وحدة الطاقة من أجل الموثوقية مع خفض المقاومة الحرارية (Rth) والحث الشارد (Ls) أمرًا أساسيًا لتحسين أداء النظام في بيئة تدوير الطاقة الصعبة وعالية الحرارة ، كما هو الحال في عاكس الجر EV. يوضح الشكل 4 خارطة طريق تعبئة وحدة الطاقة أحادية SiC لشكل Rth من الجدارة. أدى التلبيد على كلا السطحين ، على سبيل المثال ، إلى خفض قيمة Rth إلى أقل من 0.1 K / W للوحدة الملبدة / الملبدة B2 مقارنة بـ 0.15 K / W التي تم تحقيقها على وحدة التبريد الأصلية ثنائية الجانب (DSC) الملحومة.
تتيح التحسينات في Rth و Ls تحسينات في تصنيفات الطاقة وكفاءتها ، كما هو موضح في الشكل 5. وقد سمحت الإدارة الحرارية المحسّنة وتقليل الفقد لشبه أن يكون لها نطاق في تصنيفات طاقة الوحدة في خط VE-Trac ™ لوحدات الطاقة المؤهلة للسيارات ، من الأنظمة الأرخص 120 كيلوواط -150 كيلوواط التي تستخدم الشحوم الحرارية للمشتت الحراري ، تعلق على أنظمة الطاقة الأعلى 150-300 كيلوواط باستخدام أحواض الحرارة الملبدة. تشتمل تقنية الركيزة على أحدث ما توصلت إليه التقنية مثل AMB Silicon nitride DBC ، مع الرابطة المعدنية الأمامية بمشبك النحاس وتلبيد Ag يموت لتحسين الموثوقية والأداء الحراري.
مصداقية
لقد سمح امتلاك قدرة تصنيع كربيد كربيد عمودية بالكامل من نمو البلورات إلى التعبئة والتغليف لشبه أن يكون لها تحكم أكبر في الغربلة وضوابط الجودة لضمان الموثوقية العالية. يعمل الفرز المباشر أثناء عملية Fab وفحص الاحتراق المخصص على الأجهزة المصنعة على التخلص من العيوب الخارجية. استفاد تدفق عملية أكسيد البوابة المستوية من عدة عقود من تحسينات أكسيد البوابة ، وتظهر لقطة من الموثوقية العالية التي تم تحقيقها في الشكل 6. وتتنبأ منحنيات الوقت إلى الانهيار العازل (TDDB) على اليسار بمعدل فشل <1 جزء في المليون عند أقصى جهد لبوابة التشغيل 18 فولت. جهد العتبة (Vذ) يُظهر الثبات الذي تم قياسه تحت اختبار إجهاد ركوب الدراجات بالبوابة من -3 فولت إلى 18 فولت تحولًا يبلغ حوالي 50 مللي فولت فقط بعد دورات 1E11.
سوف يستلزم تطوير MOSFET الخندق إعادة إنشاء معايير الموثوقية العالية التي تم تحقيقها على وحدات MOSFET المصنوعة من SiC المستوية.
خاتمة
إن حافظة EliteSiC MOSFET المزودة بوحدات الطاقة VE-Trac ™ المصممة لسوق عاكس الجر للمركبات الكهربائية تجعل نصفها في وضع جيد للاستفادة من توقعات النمو القوية في سوق السيارات الكهربائية. يساعد تصميم النظام الخبير الذي يقدمونه مع التحقق من صحة النظام والتصميمات المرجعية ، ومولد نموذج PLECS للخدمة الذاتية ، ومحاكاة الطاقة النخبة التي تتضمن نماذج ركنية لتقليل مخاطر العميل في تصميمات النظام الجديدة.
