SIC+SI 혼합 탄소 융합 인버터 · 개념에서 시스템 솔루션 구현으로의 파노라마 분석

소개 : 전기 차량 기술의 급속한 발전으로 전력 장치의 혁신 및 최적화는 업계 진보의 핵심 동인이되었습니다. SIC (Silicon Carbide) 및 Si (실리콘) 다중 변수 하이브리드 인버터 기술은 고도로 미래 지향적 인 혁신적인 성과로 전기 차량 부문에서 점차 두드러지고 있습니다.

I : 시장에는 어떤 종류의 인버터가 필요합니까?

1. China의 전기 자동차 개발 동향 및 전력 반도체 수요

중국의 전기 자동차 시장은 폭발적인 성장 단계에 들어갔고, 새로운 에너지로의 전 세계 전환에서 중추적 인 운전자로 떠오르고 있습니다. 아래 차트에서 볼 수 있듯이, 정책 지원으로 인해 2013 년부터 2024 년까지 10 년 동안 매출이 수만에서 1 억 7,800 만 대에서 급증했습니다. 소비자 환경 인식 및 기술 발전이 강화되었습니다. 승용차는 2024 년까지 전기 자동차가 새로운 자동차 판매의 40.9%를 차지하면서 EVS에서 시장 점유율을 계속 유지하고 있습니다. 시장은 정책 중심의 이니셔티브에서 수요 주도 성장으로 전환하고 있으며, 소비자 수락은 전례없는 수준에 도달하고 있습니다.

시장 부문에서 PHEV와 Reev는 지난 2 년간 84.69%의 성장률을 달성했습니다. 그들의 "유연한 충전"기능-도시 통근을위한 순수한 전기 모드를 사용하여 비용을 줄이기 위해 비용을 줄이고 장거리 여행을 위해 연료 전원 충전을 사용하여 범위 불안을 완화합니다. 다양한 사용자 시나리오를 수송합니다. 전압 플랫폼과 관련하여 800V 고전압 플랫폼의 시장 점유율은 2022 년 2%에서 2025 년까지 15%로 급상승했으며 빠른 충전 기능 (300kW 이상)과 상당한 에너지 효율 개선으로 인해 프리미엄 차량의 요구를 효과적으로 충족시킵니다.

소비자의 전기 자동차 요구가 점점 더 다양 해지자 "더 큰 캐빈 공간"과 "강력한 전력 출력"에 대한 선호도가 높아지고 있습니다. 이러한 추세는 "작고 강력하고 효율적이며 비용 효율적인"파워 트레인의 진화를 유도합니다. 시장 동향을 분석 한 후 전기 드라이브 시스템의 코어 구성 요소 인 인버터의 주요 성능 메트릭이 어떻게 개발 되었습니까? 로드맵을 탐색합시다 인버터KPI 진화는 상세하게 진화합니다.

2 : 인버터 KPI 개발 로드맵 : 반도체 혁신 방향을 평가합니다

전기 자동차의 중요한 구성 요소 인 트랙션 인버터는 차량의 전력 출력, 에너지 효율 및 운전 경험을 직접 결정합니다. 성과를 최적화하는 것은 자동차 제조업체와 공급 업체가 경쟁력을 향상시키는 데 중요한 전략이되었습니다. 인버터의 주요 KPI (비용 효율성, 전력 밀도 및 사이클 효율을 살펴 보겠습니다. 이 분야의 현재 개발 동향은 무엇입니까?

아래 차트는 2019 년부터 2027 년까지 인버터 코어 KPI의 변화하는 추세를 보여줍니다. "인버터 KPI 로드맵"을 통해 우리는 다음을 명확하게 캡처 할 수 있습니다.

■ 비용 : 2019 년 이후 SI IGBT의 가격은 65%감소했으며 SIC 가격은 일정 범위로 감소했지만 Si IGBT보다 여전히 약 2.5-3 배 더 비쌉니다.

■ 전력 밀도 : 인버터 파워 밀도 곡선은 2019 년 37kW/L에서 2027 년 100kW/L로 상향 추세를 보여 주어보다 작고 효율적인 인버터 설계를 달성하는 데 도움이됩니다.

■ CLTC-P 효율 : SIC의 효율 곡선은 2019 년 95.8%에서 2027 년 99.2%로 증가 할 것으로 예상됩니다. SI의 효율도 개선되지만 SIC의 효율보다 항상 낮습니다.

3.이 KPI의 변화에 ​​영향을 미치는 요인은 무엇입니까? 몇 가지 주요 측면 (다음 초점 포인트)이 있습니다.

■ 통합 기술 개발 : IC 통합, 기계적 통합, 연결 감소 등을 포함하여 시스템 구조를 단순화하고 불필요한 에너지 손실 및 신호 간섭을 줄여 비용을 줄이고 시스템 신뢰성 및 전력 밀도를 향상시킵니다.

■ 공급망 안정성 및 최적화 : 스케일 효과, 내부 설계, 로컬 공급 및 기타 요인은 비용을 효과적으로 제어하고 구성 요소의 안정적인 공급을 보장 할 수 있습니다. 생산 규모를 확장하고 공급망 레이아웃 최적화를 통해 SIC 및 SI 구성 요소의 비용을 줄일 수 있습니다.

■ 혁신적인 접근법 : PCB 구성에 칩 임베딩, 소프트웨어 알고리즘 (예 : DPWM, 제곱 파동 제어, 캐리어 주파수 최적화, 슬로프 제어), 차세대 SI/SIC 칩 기술, 저하 인덕터 패키징 및 레이아웃, 통합 전력 장치, 3 레벨 성능 개선 및 Relance Envernications Conformations, Relance Envection, Relance Fored Onder Technology Relegiving, Relance Expencerion 개선. 따라서 인버터의 성능 도약은 "단일 포인트 혁신"에서 "System Synergy"에서 "System Synergy"로 발전하는 전력 장치 기술에서 비롯된 것으로 인식 할 수 있습니다. SI 기반 IGBT의 대규모 비용 절감, SIC의 효율적인 혁신 및 다양한 혁신적인 기술의 시너지가 공동으로 "3 차원 기술"의 "3 차원 경쟁력"을 형성합니다. 이 변화에서 비용, 효율성 및 통합에서 "트리플 최적화"를 달성하는 사람은 전기 차량 구동 시스템의 이니셔티브를 압류하고 산업을 더 높은 차원 단계로 이끌 것입니다.

II : SI/SIC 하이브리드 스위치의 토폴로지

하이브리드 스위치는 Si IGBT 및 SIC MOSFET으로 구성됩니다. 합리적인 토폴로지 설계 및 운전 전략을 통해 두 가지의 장점은 보완 적입니다. 따라서 토폴로지 구조의 설계 정의가 중요합니다!

이 토폴로지는 전환 장치의 현재 운반 용량을 향상시킬뿐만 아니라 전도 및 스위칭 손실을 줄여 전반적인 시스템 성능 및 효율성을 향상시킵니다. 따라서 인버터에서 다른 토폴로지를 분석하고 인버터에서 하이브리드 스위치의 실제 응용 프로그램을 연구하여 인버터 효율성 및 신뢰성을 높이는 데 중요한 영향을 입증하는 것이 필수적입니다.

SI/SIC 혼합 스위치 장치 특성

다양한 하이브리드 드라이브 토폴로지를 탐색 한 후,이 분석은 SI IGBT 및 SIC MOSFET 구성에 중점을 두어 기술적 접근 방식을 자세히 설명합니다. 세 가지 근본적인 질문을 이해하는 것으로 시작합시다. 이러한 특성을 독특하게 만드는 것은 무엇입니까? 그리고 최적의 성능을 달성하기 위해 개별 강점을 어떻게 활용할 수 있습니까?

전도 특성 : 뚜렷한 물리적 구조로 인해 IGBT와 SIC MOSFET은 아래 그림과 같이 다른 출력 특성 곡선을 나타냅니다. SIC MOSFET은보다 저항성 전도 특성을 보여주고 IGBT는 현저한 무릎 전압 (무릎 전압) 동작을 특징으로합니다. 이 기술적 차이는 두 장치 사이의 뚜렷한 전도 손실 특성으로 나타납니다.

낮은 전류에서는 SIC MOSFET이 손실이 더 작습니다. 전류가 큰 경우 (곡선의 교차점에) IGBT는 손실이 더 작습니다.

IGBT 및 SIC MOSFET 전도 특성

스위칭 특성 : IGBT는 양극성 장치이며 소수 캐리어의 재조합은 꺼질 때 순회 전류를 유발하여 스위칭 손실 특성이 불량합니다. 그러나 SIC MOSFET은 스위칭 속도가 빠르고 전류가 없기 때문에 스위칭 손실은 IGBT에 비해 명백한 이점이 있습니다.

결론적으로, SIC MOSFET 장치는 모든 하중 조건에서 압도적 인 성능 이점이 없습니다. SIC MOSFET과 SI IGBT 중에서 선택할 때는 손익분기 점을 고려해야한다는 것을 이해하기 쉽습니다.

3 : 하이브리드 스위치의 타이밍 관리 및 제어 전략

장치 특성에 대한 깊은 이해와 시스템 수준에서이를 적용 할 수있는 적절한 방법을 갖추면 다음 단계는 이러한 설계 아이디어를 구현하는 방법을 고려하는 것입니다. 현재 비율, 타이밍 관리 및 제어 전략의 세 가지 주요 문제가 있습니다.

1. 현재 비율은 본질적으로 주소 : 안전한 작동을 보장하는 동안 전원 스위치의 출력 기능을 최대화하는 방법은 무엇입니까? 이 분석은 사례 연구로 Infineon의 1200V 장치를 사용하여 듀얼 튜브 병렬 듀얼 펄스 테스트 플랫폼에서 4 개의 하이브리드 장치의 실제 스위칭 성능을 보여줍니다. 결과는 전류 용량이 다른 하이브리드 전류 비율에서 분포에 어떤 영향을 미치는지를 보여주고 장치의 안전한 작동 범위를 고려합니다.

2. SI/SIC 장치 특성에 대한 자세한 설명 : 2.5 비동기 스위칭의 최적 손실

Clocking Management는 SI/SIC 하이브리드 스위치 설계의 중요한 구성 요소입니다. Si IGBT 및 SIC MOSFET의 스위칭 타이밍을 정확하게 제어함으로써 IGBT에서 전압 스위칭 (ZV)을 달성하여 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 주요 질문은 다음과 같습니다. 비동기 스위칭 전략을 통해 하이브리드 스위치 손실을 최적화하는 방법은 무엇입니까? 다른 스위칭 모드 (스위칭 타이밍 선택)는 무엇입니까? 하이브리드 스위치에서 다양한 턴온 및 턴 오프 지연에 어떤 영향을 미치는 지, 상태 및 오프 스테이트 손실에 어떤 영향을 미칩니 까? 이것이 우리가 해결해야 할 중요한 측면입니다.

마지막으로, 우리는 고급 타이밍 관리 기능을 통합하면서 SIC MOSFET 및 SI IGBT의 동기식 또는 비동기 운영을 가능하게하는 시장에서 사용 가능한 몇 가지 혁신적인 하이브리드 드라이버 IC를 소개 할 것입니다. 실시간으로 켜기/오프 지연 시간 및 우선 순위 시퀀스를 동적으로 조정함으로써 이러한 ICS는 하이브리드 장치의 스위칭 성능을 최적화하여 시스템 효율성 및 신뢰성을 향상시킵니다.

결론

위의 소개에서 알 수 있듯이 SIC-SI 하이브리드 파워 반도체의 기술적 방향을 완전히 이해하고 체계적으로 이해하기 위해, 우리의 전반적인 아이디어는 세 단계를 수행하는 것입니다.

1 단계 : 가장 기본적인 구성 요소부터 시작하십시오. 먼저 그것들을 깊이 이해하고 논의하십시오. 개별 특성은 무엇입니까? 그들은 어떻게 병렬로 수행합니까? 이러한 구성 요소의 특성을 사용하여 시스템 성능을 최적화 할 수있는 방법은 무엇입니까?

2 단계 : 다른 스위칭 모드에서 장치 특성과 성능을 이해 한 후 인버터 레벨로 이동합니다. 장치 수준에서의 분석을 바탕 으로이 섹션에서는 최적화 된 SIC/SI 비율을 통해 트랜지스터 출력 특성을 최대화하고 응용 프로그램 조건에 맞는 전략을 구동하는 동시에 시스템 효율성이 높고 전력 손실을 줄이는 방법을 살펴 봅니다. 효율과 성능 사이의 최적의 균형을 달성하기 위해 다양한 하중 조건에서 SIC MOSFET 및 SI IGBT의 현재 운반 기능을 어떻게 완전히 활용할 수 있습니까?

Part III : 장치 특성 및 시스템 수준 애플리케이션 접근법에 대한 철저한 이해를 얻은 다음 중요한 질문은 이러한 설계 개념을 구현하는 방법입니다. 이 섹션에서는 드라이버 IC 및 회로 설계에 중점을 둔 잘 설계된 제어 전략 및 드라이버 회로 아키텍처를 통해 하이브리드 SIC-SI 전원 장치의 효율적인 작동을 달성하는 방법을 조사합니다.

궁극적으로 중요한 질문은 여전히 ​​남아 있습니다. 전기 자동차의 SI/SIC 하이브리드 스위치의 실제 응용 프로그램과 향후 전망은 무엇입니까? EV 시장이 계속 확대되고 새로운 에너지 기술이 발전함에 따라, 고효율, 고출력 밀도 및 고도로 신뢰할 수있는 스위칭 장치에 대한 수요는 계속 증가 할 것입니다. SI/SIC 하이브리드 스위치는 우수한 성능과 비용 장점으로 곧 지배적 인 스위칭 솔루션이되어 제품 혁신 및 기술 업그레이드에 새로운 모멘텀을 주입 할 수 있습니다.