Sic+Si Inverter de fusión de carbono mixto · Análisis panorama de la implementación de la solución del concepto hasta el sistema

Sic+Si Inverter de fusión de carbono mixto · Análisis panorama de la implementación de la solución del concepto hasta el sistema

Introducción: con el rápido avance de la tecnología de vehículos eléctricos, la innovación y la optimización de los dispositivos de energía se han convertido en impulsores clave para el progreso de la industria. La tecnología de inversor híbrido múltiple SIC (Silicon Carbide) y Si (Silicon) múltiple de variable, como un logro innovador altamente prospectivo, está ganando gradualmente prominencia en el sector de los vehículos eléctricos.

I: ¿Qué tipo de inversor necesita el mercado?

1. Tendencia de desarrollo de vehículos eléctricos de China y demanda de semiconductores de energía

El mercado de vehículos eléctricos de China ha entrado en una fase de crecimiento explosivo, emergiendo como un conductor fundamental en la transición global a la nueva energía. Como se muestra en el cuadro a continuación, las ventas aumentaron de decenas de miles a 12.87 millones de unidades durante la década de 2013 a 2024, impulsadas por el apoyo de políticas, la mayor conciencia ambiental del consumidor y avances tecnológicos. Los vehículos de pasajeros continúan viendo su participación de mercado en los vehículos eléctricos de manera constante, con vehículos eléctricos que representan el 40.9% de las ventas de automóviles nuevos para 2024. El mercado está cambiando de iniciativas impulsadas por las políticas al crecimiento dirigido por la demanda, y la aceptación del consumidor alcanza niveles sin precedentes.

En el segmento del mercado, PHEV y REEV han logrado una tasa de crecimiento del 84.69% en los últimos dos años. Su característica de "carga flexible", que usa el modo eléctrico puro para los viajes urbanos para reducir los costos mientras emplea la carga de combustible para viajes a larga distancia para aliviar la ansiedad de rango, alberga diversos escenarios de usuarios. Con respecto a las plataformas de voltaje, la participación de mercado de la plataforma de alto voltaje de 800V ha aumentado del 2% en 2022 al 15% para 2025. Con capacidades de carga rápida (más de 300kW) y mejoras significativas de eficiencia energética, satisface efectivamente las demandas de los vehículos premium.

Dado que las demandas de vehículos eléctricos de los consumidores se vuelven cada vez más diversas, existe una creciente preferencia por el "espacio de cabina más grande" y la "potencia de salida más fuerte". Esta tendencia impulsa la evolución de los motores a ser "más pequeños, más potentes, más eficientes y más rentables". Después de analizar las tendencias del mercado, ¿cómo han desarrollado las métricas clave de rendimiento de los inversores, componentes de núcleo en los sistemas de accionamiento eléctrico? Explore la hoja de ruta para la evolución del inversor KPI en detalle.

2: Inverter KPI Development Roadmap: Dirección de innovación de semiconductores de tasa

Como componente crítico en vehículos eléctricos, los inversores de tracción determinan directamente la potencia de salida del vehículo, la eficiencia energética y la experiencia de manejo. La optimización de su rendimiento se ha convertido en una estrategia vital para que los fabricantes y proveedores mejoren la competitividad. Examinemos los KPI clave de los inversores: rentabilidad, densidad de energía y eficiencia del ciclo. ¿Cuáles son las tendencias actuales de desarrollo en estas áreas?

El cuadro a continuación muestra la tendencia cambiante de los KPI del inversor de KPI de 2019 a 2027. A través de la "Hoja de ruta del inversor KPI", podemos capturar claramente:

■ Costo: desde 2019, el precio de SI IGBT ha disminuido en un 65%, y el precio de SIC ha disminuido en cierta medida, pero todavía es aproximadamente 2.5-3 veces más caro que SI IGBT.

■ Densidad de potencia: la curva de densidad de potencia del inversor muestra una tendencia ascendente, de 37 kW/L en 2019 a 100 kW/L en 2027, lo que ayuda a lograr diseños de inversores más compactos y eficientes.

■ Eficiencia CLTC-P: se espera que la curva de eficiencia de SIC aumente de 95.8% en 2019 a 99.2% en 2027; La eficiencia de SI también mejora, pero siempre es más baja que la de SIC.

3. ¿Cuáles son los factores que afectan los cambios de estos KPI? Hay varios aspectos principales (los siguientes puntos de enfoque):

■ Desarrollo de la tecnología de integración: incluida la integración de IC, la integración mecánica, las conexiones reducidas, etc. -> Ayuda a simplificar la estructura del sistema, reducir la pérdida de energía innecesaria y la interferencia de la señal, reduciendo así los costos, mejorando la confiabilidad del sistema y la densidad de potencia

■ Estabilidad y optimización de la cadena de suministro: efecto de escala, diseño interno, suministro local y otros factores pueden controlar efectivamente los costos y garantizar el suministro estable de componentes; Al expandir la escala de producción y optimizar el diseño de la cadena de suministro, se puede reducir el costo de los componentes SIC y SI

■ Enfoques innovadores: como la incrustación de chips en las configuraciones de PCB, los algoritmos de software (por ejemplo, DPWM, control de onda cuadrada, optimización de frecuencia de portador, control de pendiente), tecnología de chips SI/SIC de próxima generación de próxima generación, que aumenta el rendimiento de los inductores de inductores de inductor, lo que proporciona un empaquetador de alimentación integrado, el apoyo de la potencia integrada, el apoyo de la generación de rendimiento de los avances de avance. Por lo tanto, podemos percibir que el salto de rendimiento de los inversores proviene de la tecnología de dispositivos de energía que evoluciona de "avances de punto único" a "sinergia del sistema": la reducción de costos a gran escala de los IGBT basados en SI, el avance eficiente de la sic y la sistema de varias tecnologías innovadoras forman colectivamente la "competitiva tripleamensional" de la tecnología de los inversores. En esta transformación, quien logre "triple optimización" en el costo, la eficiencia y la integración confiscará la iniciativa en los sistemas de manejo de vehículos eléctricos y llevará a la industria a una etapa de dimensiones más altas.

II: Topología del interruptor híbrido SI/SIC

El interruptor híbrido está compuesto por Si IGBT y SIC MOSFET en paralelo. A través del diseño de topología razonable y la estrategia de manejo, las ventajas de ambos son complementarias. ¡Por lo tanto, la definición de diseño de la estructura de la topología es crucial!

Esta topología no solo mejora la capacidad de transporte de corriente de los dispositivos de conmutación, sino que también reduce las pérdidas de conducción y conmutación, mejorando así el rendimiento y la eficiencia general del sistema. Por lo tanto, es esencial analizar diferentes topologías y estudiar aplicaciones del mundo real de interruptores híbridos en inversores para demostrar sus efectos significativos en el aumento de la eficiencia y la confiabilidad del inversor.

Características del dispositivo de interruptor mixto SI/SIC

Después de explorar varias topologías de unidad híbrida, este análisis se centrará en las configuraciones SI IGBT y SIC MOSFET para detallar el enfoque técnico. Comencemos por comprender tres preguntas fundamentales: ¿Cuáles son las características de conmutación de SI IGBT combinadas con SIC MOSFET? ¿Qué hace que estas características sean únicas? ¿Y cómo podemos aprovechar sus fortalezas individuales para lograr un rendimiento óptimo?

Características de conducción: debido a sus distintas estructuras físicas, los IGBT y los MOSFET SIC exhiben diferentes curvas características de salida como se muestra en la figura a continuación. Los MOSFET SIC demuestran características de conducción más resistentes, mientras que los IGBT cuentan con un comportamiento de voltaje de rodilla pronunciado (voltaje de rodilla). Esta diferencia técnica se manifiesta como distintas características de pérdida de conducción entre los dos dispositivos:

A baja corriente, SIC Mosfet tiene una pérdida más pequeña; Cuando la corriente es grande (sobre el punto de intersección de la curva), IGBT tiene una pérdida más pequeña.

Características de conducción de IGBT y SIC MOSFET

Características de conmutación: IGBT es un dispositivo bipolar, y la recombinación de los portadores minoritarios definitivamente causará corriente final cuando se apague, lo que resulta en malas características de pérdida de conmutación. Sin embargo, SIC MOSFET tiene una velocidad de cambio más rápida y no tiene corriente final, por lo que su pérdida de conmutación tiene ventajas obvias en comparación con IGBT

En conclusión, los dispositivos SIC MOSFET no tienen ventajas de rendimiento abrumadoras en todas las condiciones de carga. Es fácil entender que se debe considerar un punto de equilibrio al elegir entre SIC MOSFET y SI IGBT.

Tres: Gestión de tiempo y estrategia de control del interruptor híbrido

Una vez que tenemos una comprensión profunda de las características del dispositivo y la forma correcta de aplicarlas a nivel del sistema, el siguiente paso es considerar cómo implementar estas ideas de diseño. Hay tres problemas clave: relación actual, gestión de tiempo y estrategia de control.

1. La relación de corriente aborda esencialmente: ¿Cómo maximizar la capacidad de salida de los interruptores de alimentación al tiempo que garantiza su funcionamiento seguro? Utilizando los dispositivos de 1200V de Infineon como estudio de caso, este análisis demuestra el rendimiento de conmutación real de cuatro dispositivos híbridos en una plataforma de prueba de doble potencia paralela de doble tubo. Los resultados ilustran cómo la capacidad actual influye en la distribución en diferentes relaciones de corriente híbrida, al tiempo que considera el rango operativo seguro de los dispositivos.

2. Descripción detallada de las características del dispositivo SI/SIC: 2.5 Pérdida óptima en la conmutación asíncrona

La gestión del marcador es un componente crítico en el diseño de interruptores híbridos SI/SIC. Al controlar con precisión el tiempo de conmutación de Si IGBT y MOSFET SIC, podemos lograr la conmutación de voltaje cero (ZVS) en IGBT, lo que reduce significativamente las pérdidas de conmutación. Las preguntas clave son: ¿Cómo optimizar las pérdidas de interruptor híbridos a través de estrategias de conmutación asíncrona? ¿Cuáles son los diferentes modos de conmutación (opciones de sincronización de conmutación)? ¿Cómo afectan los retrasos de activación y apagado variables afectando las pérdidas en estado y fuera del estado en los interruptores híbridos? Estos son los aspectos críticos que debemos abordar.

Finalmente, introduciremos varios impulsores híbridos innovadores disponibles en el mercado que permiten la operación sincrónica o asincrónica de MOSFETS SIC y SI IGBT al tiempo que incorporan capacidades avanzadas de gestión de tiempo. Al ajustar dinámicamente los tiempos de retraso de encendido/apagado y las secuencias de prioridad en tiempo real, estos IC optimizan el rendimiento de conmutación a través de los dispositivos híbridos, mejorando así la eficiencia y la confiabilidad del sistema.

Conclusión

Como se puede ver en la introducción anterior, para comprender plena y sistemáticamente la dirección técnica del semiconductor de potencia híbrida SIC-Si, nuestra idea general es dar tres pasos.

Paso 1: Comience con los componentes más básicos. Primero comprélos en profundidad y luego discuta: ¿Cuáles son sus características individuales? ¿Cómo funcionan en paralelo? ¿Cómo podemos usar las características de estos componentes para optimizar el rendimiento del sistema?

Paso 2: Después de comprender las características del dispositivo y el rendimiento en diferentes modos de conmutación, nos movemos al nivel del inversor. Sobre la base de nuestro análisis a nivel de dispositivo, esta sección explora cómo maximizar las características de salida del transistor a través de relaciones SIC/Si optimizadas y estrategias de impulso adaptadas a las condiciones de aplicación, al tiempo que logran una mayor eficiencia del sistema y una pérdida de energía reducida. ¿Cómo podemos aprovechar por completo las capacidades de transporte de corriente de SIC MOSFET y SI IGBTS en diversas condiciones de carga para lograr un equilibrio óptimo entre eficiencia y rendimiento?

Parte III: Habiendo obtenido una comprensión profunda de las características del dispositivo y los enfoques de aplicación a nivel de sistema, la próxima pregunta crítica es cómo implementar estos conceptos de diseño. Esta sección examinará cómo lograr un funcionamiento eficiente de dispositivos de potencia SIC-SI híbridos a través de estrategias de control bien diseñadas y arquitecturas de circuitos del controlador, centrándose en los IC del controlador y el diseño de circuitos.

En última instancia, la pregunta crítica sigue siendo: ¿Cuáles son las aplicaciones prácticas y las perspectivas futuras de los interruptores híbridos SI/SIC en vehículos eléctricos? A medida que el mercado de EV continúa expandiéndose y avanzarán nuevas tecnologías energéticas, la demanda de dispositivos de conmutación de alta eficiencia, alta potencia y altamente confiables seguirá creciendo. Con su rendimiento superior y ventajas de costos, los interruptores híbridos SI/SIC pronto pueden convertirse en la solución de conmutación dominante, inyectando un nuevo impulso en la innovación de productos y las actualizaciones tecnológicas.