Microchip Technology Inc.
Avtor: Andreas von Hofen, vodja trženja v skupini Microchip Technology Automotive Products Group
V avtomobilski industriji se vse več hibridnih in popolnoma električnih vozil ter avtomobilov na gorivne celice usmerja v bolj trajnostno prihodnost. Elektrifikacija kritičnih funkcij zahteva zanesljive rešitve za proizvodnjo, distribucijo in nadzor močnostnih sistemov.
Z večanjem količine električne energije, ki se shranjuje in uporablja v vozilu, se povečujeta tudi potreba po gostoti moči in učinkovitosti. Za učinkovito in zanesljivo delovanje električnih podsistemov sta bistvenega pomena učinkovito spremljanje in nadzor. Dobavitelji polprevodnikov, kot je Microchip, ponujajo širok nabor strojne in programske opreme, integriranih razvojnih orodij in zelo učinkovitih energetskih rešitev, ki jih omogoča silicijev karbid (SiC) z namenom da olajšajo inovacije v sistemih EV in HEV.
Razvijalci avtomobilskih podsistemov si nenehno prizadevajo razviti inovativne rešitve za podaljšanje dosega in skrajšanje časa polnjenja električnih vozil. Pri doseganju teh ciljev so silicijeve tehnologije približevali fizičnim mejam glede velikosti, teže in energetske učinkovitosti, zato za reševanje teh izzivov prehajajo na SiC rešitve. V primerjavi s silicijem imajo SiC naprave nižjo upornost v prevodnem stanju, višje stikalne hitrosti ter sposobnost prenesti višje napetosti in tokove pri višjih temperaturah spoja. Še ena ključna prednost SiC je njegova manjša površina, ki omogoča večjo gostoto moči, kar je ključnega pomena pri številnih ključnih aplikacijah za električna vozila. Zato ni presenetljivo, da bo avtomobilski trg za SiC napajalne polprevodnike s širok vrzeljo (WBG) do leta 2030 po podatkih družbe Omdia (SiC power semiconductors by application, 2022 Mid Case report) predvidoma trinajstkrat povečal svojo sedanjo vrednost, ki znaša 1 milijardo dolarjev.
Trend k višjim napetostim, kot je 800 V v električnih vozilih, spodbuja nove zasnove pogonskih pretvornikov, DC-DC pretvornikov, vgrajenih polnilnikov ter kompresorjev za toplotne črpalke in gorivne celice. Visokonapetostni MOSFET-i in SiC diode so zaradi svoje robustne zmogljivosti zelo primerni za električna vozila, zlasti v komercialnih in terenskih aplikacijah, kjer je razpoložljivost ključnega pomena.
Obstoječe omrežje 400-voltne polnilne infrastrukture za običajna vozila bo moralo biti prilagojeno tudi novejšim 800-voltnim modelom vozil. Zaradi vse večje potrebe po visokih napetostih se v vozilih razvijajo t.i. „boost“ DC-DC moduli za združevanje napetostnih vodil.
SiC tehnologija lahko deluje tudi kot stikalni element v polprevodniškem odklopniku ali E-varovalki, ki ščiti električne komponente v vozilu in diagnosticira okvare, še preden pride do težke okvare. Z izboljšano diagnostiko in možnostmi konfiguracije v primerjavi z mehanskimi rešitvami je mogoče prihraniti čas izpada zaradi popravil in stroške.
Hkrati obstaja povpraševanje po hitri polnilni infrastrukturi za enosmerno napetost, ki omogoča hitro polnjenje vozila. To je še posebej pomembno za komercialne aplikacije, od tovornjakov in avtobusov do rudarske in gradbene opreme, ki morajo delovati čim dlje.
Polprevodniške varovalke
Uporaba SiC za polprevodniško varovalko prinaša številne prednosti v primerjavi s tradicionalnimi rešitvami za zaščito tokokrogov. Tehnologija lahko hitro preklopi s programsko nastavljivim izklopnim profilom, npr. prek LIN vmesnika, in prekine tokokrog v mikrosekundah, kar je zaradi visokonapetostne polprevodniške zasnove od 100 do 500-krat hitreje kot pri tradicionalnih mehanskih pristopih.
E-varovalka je ponastavljiva, zato ni treba menjati fizičnih varovalk, kar zagotavlja zanesljivo in dolgoročno rešitev v primeru rednih prekinitev tokokroga. Morebitna tveganja električnega obloka pri preklapljanju visokonapetostnih enosmernih tokov z mehanskimi kontakti so z uporabo polprevodniške rešitve E-Fuse odpravljena.
Microchipova razvojna plošča tehnologije E-Fusetechnology s 700V in 1200V stikali mSiC™ MOSFET združuje zaznavanje toka, ojačevalnike, LIN vmesnik in 8-bitni PIC™ mikrokontroler z neodvisnimi perifernimi enotami, kar zagotavlja celovito in visoko integrirano rešitev. Vse komponente so na voljo s kvalifikacijo za avtomobilsko industrijo. Ta zasnova implementira krivuljo časovnih tokovnih karakteristik (TCC), ki razvijalcem pomaga pri prehodu s tradicionalnih varovalk ali kontaktorjev na polprevodniške varovalke. Hkrati pa se ponaša s kratkostičnim časom držanja do 10 µs in nazivnim tokom do 30 A.
Hitro polnjenje
Električna, komercialna in terenska vozila potrebujejo možnost hitrega polnjenja. Medtem ko lahko avtomobil čez noč stoji na dovozu in se polni, morajo avtobusi ali gradbena oprema učinkovito delovati ves dan ali noč. Ti prehajajo na baterijske sklope z napetostjo 800 V ali celo 1000 V, ki zagotavljajo ravni moči, potrebne za večja vozila s težkimi prevozi.
Te zasnove vgrajenih polnilnikov potrebujejo večjo moč, pri čemer SiC tehnologija zagotavlja optimalno rešitev. Naprave z nazivnimi napetostmi 1200 V in celo 1700 V zagotavljajo razvijalcem več prostora za načrtovanje. To se lahko odraža v večji maksimalni zmogljivosti vozila, manjši redundanci in lažji izdelavi elementov.
Zaradi večje učinkovitosti SiC v primerjavi s silicijevimi IGBT-ji so potrebni tudi manjši hladilniki, kar zmanjša težo vozila.
Na voljo je tehnološka razvojna plošča izoliranega 30-kilovatnega DC-DC polnilnika, ki temelji na 1200-voltnih MOSFET-ih mSiC z lavinsko zaščito in 1200-voltnih dvojnih mSiC diodah. Zasnovo odlikujejo >98-odstotna največja učinkovitost, vhodna napetost 650-750 V in izhodna napetost 150-600 V pri največ 50-60 A pri preklopni frekvenci 140 kHz. Postavitev tiskanega vezja je optimizirana za varnost, tokovne in mehanske obremenitve ter odpornost na šum.
Poleg tega je na voljo trifazni 30 kW PFC (Power Factor Correction) referenčni dizajn v Vienna topologiji, ki temelji na SiC napravah. PFC naprave so običajno potrebne za pretvorbo izmenične v enosmerno napetost in ohranjanje faznega zamika izmenične vhodne napetosti v natančno določenih mejah glede na vhodno izmenično napetost, kar zagotavlja faktor moči, ki je blizu enici, in nizko skupno harmonično popačenje (THD).
V prihodnosti bo potrebno energijo iz akumulatorja vozila vračati v omrežje. To zmožnost dvosmernega polnjenja je mogoče dokazati z drugo 11-kilovatno PFC zasnovo na osnovi SiC v shemi Totem-Pole. Tako DC-DC kot PFC je mogoče modularno kombinirati.
Gradniki za infrastrukturni polnilnik do 150 kW
Silicijev karbid je ključnega pomena tudi za polnilno infrastrukturo. Enake prednosti višjih napetosti in tokov v povezavi z večjo učinkovitostjo za manjše hladilne elemente vodijo do manjših zasnov polnilnic. Medtem ko velikost polnilnika ni tako pomembna za komercialna in terenska vozila, ki so čez noč shranjena v skladišču, je pomembna za domače dvosmerne DC polnilnike, ki so vse bolj priljubljeni.
Podobno javne hitre polnilnice na enosmerno napetost tretje stopnje zaobidejo vgrajeni polnilnik (OBC) v vozilu in neposredno polnijo baterijo prek sistema za upravljanje baterije (BMS) električnega vozila. Z izogibanjem OBC je mogoče doseči bistveno višje hitrosti polnjenja z izhodno močjo polnilnika od 50 do 350 kW.
Uporaba modularne zasnove pomeni, da se za AC-DC pretvorbo uporablja sprednji del PFC, pogosto iz višjih izmeničnih napetosti, kot je 480 V, z vrsto izoliranih modulov DC-DC pretvornika, ki vzporedno zagotavljajo napajanje vozila. Ta pristop k načrtovanju omogoča, da se iz osnovnih modulov razvije vrsta polnilnic, ki izpolnjujejo različne zahteve upravljavca vozila. Z razvojem potreb vozil, ki potrebujejo večjo moč za hitrejše polnjenje, se lahko polnilna infrastruktura spreminja z uporabo SiC naprav. Ta pristop se uporablja za sisteme hitrega polnjenja do 150 kW in za še zmogljivejše sisteme.
Uporaba digitalnega upravljanja napajanja ter kombinacije SiC MOSFET-ov in diod omogoča zasnove, ki zagotavljajo visoko učinkovitost in integracijo sistema, visoko gostoto moči, napredne digitalne krmilne zanke in večjo prilagodljivost v različnih topologijah napajanja za hitre DC polnilnike. Te je mogoče povezati z analognimi napravami, napravami za upravljanje energije, brezžično in žično povezljivostjo, merjenjem energije, pomnilnikom, varnostjo in HMI (Human Machine Interface) vmesnikom, da se zaključi zasnova L3 hitrega polnjenja z enosmerno napetostjo.
Zaključek
Rešitve s široko pasovno širino, kot je SiC, so ključne za e-mobilnost, saj omogočajo večjo učinkovitost pretvorbe energije, gostoto in zanesljivost.
Microchip lahko s svojimi izdelki in rešitvami za napajanje mSiC™ pomaga razvijalcem pri enostavni, hitri in zanesljivi uporabi silicijevega karbida.
Ta portfolio vključuje SiC gole rezine, diskretne komponente in module od 700V do 3.3 kV.
Poleg tega celoten portfelj vključuje MPU, MCU, Wi-Fi® /Bluetooth® in merilne čipe ter uporabniški vmesnik z grafičnim zaslonom na dotik za aplikacije v polnilnih poljih. Na strani vozil so to digitalni krmilniki signalov avtomobilskega razreda, omrežne komponente v vozilu in gonilniki, če omenimo le nekatere.
Celovita rešitev vključuje tudi programske komplete za izboljšanje krmiljenja motorjev in algoritme stikalnih načinov napajanja ter programske komplete za avtomobile in diagnostične knjižnice za funkcionalno varnost.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
