SIC+SI ผสมคาร์บอนฟิวชั่นอินเวอร์เตอร์·การวิเคราะห์แบบพาโนรามาจากแนวคิดไปจนถึงการใช้โซลูชันระบบ

SIC+SI ผสมคาร์บอนฟิวชั่นอินเวอร์เตอร์·การวิเคราะห์แบบพาโนรามาจากแนวคิดไปจนถึงการใช้โซลูชันระบบ

บทนำ: ด้วยความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีรถยนต์ไฟฟ้านวัตกรรมและการเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์พลังงานได้กลายเป็นตัวขับเคลื่อนสำคัญสำหรับความก้าวหน้าของอุตสาหกรรม SIC (ซิลิกอนคาร์ไบด์) และ SI (ซิลิกอน) เทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์ไฮบริดหลายตัวแปรซึ่งเป็นความสำเร็จที่เป็นนวัตกรรมที่คาดการณ์ล่วงหน้าอย่างสูงกำลังค่อยๆได้รับชื่อเสียงในภาครถยนต์ไฟฟ้า

ฉัน: ตลาดต้องการอินเวอร์เตอร์แบบไหน?

1. ความต้องการการพัฒนารถยนต์ไฟฟ้าของชินาและความต้องการเซมิคอนดักเตอร์พลังงาน

ตลาดยานพาหนะไฟฟ้าของจีนได้เข้าสู่ขั้นตอนการเติบโตของการระเบิดอย่างรุนแรงกลายเป็นตัวขับเคลื่อนที่สำคัญในการเปลี่ยนแปลงทั่วโลกสู่พลังงานใหม่ ดังที่แสดงในแผนภูมิด้านล่างยอดขายเพิ่มขึ้นจากหมื่นถึง 12.87 ล้านหน่วยในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาจากปี 2556 เป็นปี 2567 โดยได้รับแรงหนุนจากการสนับสนุนนโยบายการรับรู้ด้านสิ่งแวดล้อมของผู้บริโภคและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ยานพาหนะโดยสารยังคงเห็นส่วนแบ่งการตลาดของพวกเขาใน EVs ปีนขึ้นไปอย่างต่อเนื่องโดยมียานพาหนะไฟฟ้าคิดเป็น 40.9% ของยอดขายรถยนต์ใหม่ภายในปี 2567 ตลาดกำลังเปลี่ยนจากการริเริ่มที่ขับเคลื่อนด้วยนโยบายเพื่อการเติบโตที่นำโดยผู้บริโภค

ในส่วนตลาด PHEV และ Reev ได้รับอัตราการเติบโต 84.69% ในช่วงสองปีที่ผ่านมา คุณลักษณะ "การชาร์จที่ยืดหยุ่น" ของพวกเขา-การใช้โหมดไฟฟ้าบริสุทธิ์สำหรับการเดินทางในเมืองเพื่อลดค่าใช้จ่ายในขณะที่ใช้การชาร์จที่ใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงสำหรับการเดินทางไกลเพื่อบรรเทาความวิตกกังวลในช่วง-มีสถานการณ์ที่หลากหลายของผู้ใช้ เกี่ยวกับแพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้าส่วนแบ่งการตลาดของแพลตฟอร์มแรงดันสูง 800V เพิ่มขึ้นจาก 2% ในปี 2022 เป็น 15% ในปี 2568 ด้วยความสามารถในการชาร์จอย่างรวดเร็ว (มากกว่า 300kW) และการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างมีนัยสำคัญ

ด้วยความต้องการรถยนต์ไฟฟ้าของผู้บริโภคมีความหลากหลายมากขึ้นเรื่อย ๆ จึงมีความชอบเพิ่มขึ้นสำหรับ "พื้นที่ห้องโดยสารขนาดใหญ่" และ "กำลังไฟที่แข็งแกร่งขึ้น" เทรนด์นี้ผลักดันวิวัฒนาการของระบบส่งกำลังไปสู่การเป็น "เล็กลงมีประสิทธิภาพมากขึ้นมีประสิทธิภาพมากขึ้นและคุ้มค่ากว่า" หลังจากวิเคราะห์แนวโน้มของตลาดการวัดประสิทธิภาพที่สำคัญของอินเวอร์เตอร์ - ส่วนประกอบในระบบไดรฟ์ไฟฟ้าได้รับการพัฒนาอย่างไร ลองสำรวจแผนงานสำหรับวิวัฒนาการของอินเวอร์เตอร์ KPI ในรายละเอียด

2: Inverter KPI Development Roadmap: อัตรานวัตกรรมเซมิคอนดักเตอร์เซมิคอนดักเตอร์

ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบที่สำคัญในยานพาหนะไฟฟ้าอินเวอร์เตอร์ลากจูงโดยตรงกำหนดพลังงานของยานพาหนะประสิทธิภาพการใช้พลังงานและประสบการณ์การขับขี่ การเพิ่มประสิทธิภาพประสิทธิภาพของพวกเขาได้กลายเป็นกลยุทธ์สำคัญสำหรับผู้ผลิตรถยนต์และซัพพลายเออร์เพื่อเพิ่มความสามารถในการแข่งขัน ลองตรวจสอบ KPI ที่สำคัญของอินเวอร์เตอร์: ประสิทธิภาพด้านต้นทุนความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพรอบ แนวโน้มการพัฒนาในปัจจุบันในพื้นที่เหล่านี้คืออะไร?

แผนภูมิด้านล่างแสดงแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของอินเวอร์เตอร์คอร์ KPIs จากปี 2019 ถึง 2027 ผ่าน "Inverter KPI Roadmap" เราสามารถจับภาพได้อย่างชัดเจน:

■ต้นทุน: ตั้งแต่ปี 2562 ราคาของ Si IGBT ลดลง 65%และราคาของ SIC ลดลงในระดับหนึ่ง แต่ก็ยังมีราคาแพงกว่า Si IGBT ประมาณ 2.5-3 เท่า

■ความหนาแน่นของพลังงาน: เส้นโค้งความหนาแน่นพลังงานของอินเวอร์เตอร์แสดงแนวโน้มที่สูงขึ้นจาก 37 กิโลวัตต์/ลิตรในปี 2562 ถึง 100 กิโลวัตต์/ลิตรในปี 2570 ช่วยให้ได้การออกแบบอินเวอร์เตอร์ขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

■ประสิทธิภาพ CLTC-P: เส้นโค้งประสิทธิภาพของ SIC คาดว่าจะเพิ่มขึ้นจาก 95.8% ในปี 2562 เป็น 99.2% ในปี 2570 ประสิทธิภาพของ SI ก็ดีขึ้นเช่นกัน แต่ก็ต่ำกว่า SIC เสมอ

3. ปัจจัยที่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของ KPI เหล่านี้คืออะไร? มีหลายแง่มุมหลัก (จุดโฟกัสต่อไปนี้):

■การพัฒนาเทคโนโลยีการรวม: รวมถึงการรวม IC การรวมเชิงกลการเชื่อมต่อที่ลดลง ฯลฯ -> ช่วยให้โครงสร้างระบบง่ายขึ้นลดการสูญเสียพลังงานที่ไม่จำเป็นและสัญญาณรบกวนของสัญญาณซึ่งจะช่วยลดต้นทุนการปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบและความหนาแน่นของพลังงาน

■เสถียรภาพของห่วงโซ่อุปทานและการเพิ่มประสิทธิภาพ: เอฟเฟกต์สเกลการออกแบบภายในอุปทานในท้องถิ่นและปัจจัยอื่น ๆ สามารถควบคุมต้นทุนได้อย่างมีประสิทธิภาพและสร้างความมั่นใจว่าการจัดหาส่วนประกอบที่มั่นคง โดยการขยายระดับการผลิตและการปรับเค้าโครงห่วงโซ่อุปทานให้เหมาะสมค่าใช้จ่ายของส่วนประกอบ SIC และ SI สามารถลดลงได้

■วิธีการที่เป็นนวัตกรรม: เช่นการฝังชิปในการกำหนดค่า PCB, อัลกอริทึมซอฟต์แวร์ (เช่น DPWM, การควบคุมคลื่นสี่เหลี่ยม, การเพิ่มประสิทธิภาพความถี่ของพาหะ, การควบคุมความชัน), เทคโนโลยีชิป SI/SIC รุ่นต่อไป ดังนั้นเราสามารถรับรู้ได้ว่าประสิทธิภาพการกระโดดของอินเวอร์เตอร์เกิดจากเทคโนโลยีอุปกรณ์ไฟฟ้าที่พัฒนาจาก "การพัฒนาจุดเดียว" ไปจนถึง "ระบบการทำงานร่วมกัน": การลดต้นทุนขนาดใหญ่ของ IGBTS ที่ใช้ SI ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพในการแข่งขัน ในการเปลี่ยนแปลงนี้ใครก็ตามที่ประสบความสำเร็จ "การเพิ่มประสิทธิภาพสามครั้ง" ในด้านต้นทุนประสิทธิภาพและการบูรณาการจะยึดความคิดริเริ่มในระบบขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าและนำอุตสาหกรรมไปสู่ขั้นตอนที่สูงขึ้น

II: ทอพอโลยีของสวิตช์ไฮบริด SI/SIC

สวิตช์ไฮบริดประกอบด้วย Si IGBT และ SIC MOSFET ในแบบคู่ขนาน ผ่านการออกแบบทอพอโลยีและกลยุทธ์การขับขี่ที่สมเหตุสมผลข้อดีของทั้งคู่เป็นส่วนเสริม ดังนั้นคำจำกัดความการออกแบบของโครงสร้างโทโพโลยีจึงสำคัญ!

ทอพอโลยีนี้ไม่เพียง แต่ช่วยเพิ่มความสามารถในการพกพาในปัจจุบันของอุปกรณ์สลับ แต่ยังช่วยลดการนำไฟฟ้าและการสลับการสูญเสียซึ่งจะเป็นการปรับปรุงประสิทธิภาพและประสิทธิภาพของระบบโดยรวม ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญในการวิเคราะห์ทอพอโลยีที่แตกต่างกันและศึกษาการใช้งานจริงของสวิตช์ไฮบริดในอินเวอร์เตอร์เพื่อแสดงให้เห็นถึงผลกระทบที่สำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์และความน่าเชื่อถือ

คุณสมบัติอุปกรณ์สวิตช์ผสม SI/SIC

หลังจากสำรวจทอพอโลยีไดรฟ์ไฮบริดที่หลากหลายการวิเคราะห์นี้จะมุ่งเน้นไปที่การกำหนดค่า SI IGBT และ SIC MOSFET เพื่อให้รายละเอียดวิธีการทางเทคนิค เริ่มต้นด้วยการทำความเข้าใจคำถามพื้นฐานสามข้อ: อะไรคือลักษณะการสลับของ Si IGBT รวมกับ SIC MOSFET? อะไรทำให้คุณลักษณะเหล่านี้ไม่เหมือนใคร? และเราจะใช้ประโยชน์จากจุดแข็งของแต่ละบุคคลเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดได้อย่างไร

ลักษณะการนำไฟฟ้า: เนื่องจากโครงสร้างทางกายภาพที่แตกต่างกัน IGBTS และ SIC MOSFETs แสดงเส้นโค้งลักษณะเอาต์พุตที่แตกต่างกันดังแสดงในรูปด้านล่าง SIC MOSFETS แสดงให้เห็นถึงลักษณะการนำความต้านทานมากขึ้นในขณะที่ IGBTS มีพฤติกรรมแรงดันไฟฟ้าเข่า (แรงดันไฟฟ้าเข่า) เด่นชัด ความแตกต่างทางเทคนิคนี้แสดงให้เห็นว่าเป็นลักษณะการสูญเสียการนำไฟฟ้าที่แตกต่างกันระหว่างอุปกรณ์ทั้งสอง:

ที่กระแสต่ำ SIC MOSFET มีการสูญเสียน้อยลง เมื่อกระแสมีขนาดใหญ่ (เหนือจุดตัดของเส้นโค้ง) IGBT มีการสูญเสียน้อยลง

ลักษณะการนำของ IGBT และ SIC MOSFET

ลักษณะการสลับ: IGBT เป็นอุปกรณ์สองขั้วและการรวมตัวกันใหม่ของผู้ให้บริการชนกลุ่มน้อยจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าตามหลังเมื่อปิดลงส่งผลให้มีลักษณะการสูญเสียการสลับที่ไม่ดี อย่างไรก็ตาม SIC MOSFET มีความเร็วในการสลับเร็วกว่าและไม่มีกระแสไฟต่อท้ายดังนั้นการสูญเสียการสลับจึงมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนเมื่อเทียบกับ IGBT

โดยสรุปอุปกรณ์ SIC MOSFET ไม่ได้มีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่ล้นหลามภายใต้เงื่อนไขการโหลดทั้งหมด เป็นเรื่องง่ายที่จะเข้าใจว่าต้องพิจารณาจุดคุ้มทุนเมื่อเลือกระหว่าง SIC MOSFET และ SI IGBT

สาม: การจัดการเวลาและกลยุทธ์การควบคุมของสวิตช์ไฮบริด

เมื่อเรามีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับลักษณะของอุปกรณ์และวิธีที่เหมาะสมในการใช้งานในระดับระบบขั้นตอนต่อไปคือการพิจารณาวิธีการใช้แนวคิดการออกแบบเหล่านี้ มีประเด็นสำคัญสามประการ: อัตราส่วนปัจจุบันการจัดการเวลาและกลยุทธ์การควบคุม

1. อัตราส่วนปัจจุบันเป็นหลัก: วิธีเพิ่มความสามารถในการส่งออกของสวิตช์ไฟให้สูงสุดในขณะที่มั่นใจว่าการทำงานที่ปลอดภัยของพวกเขา? การใช้อุปกรณ์ 1200V ของ Infineon เป็นกรณีศึกษาการวิเคราะห์นี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการสลับที่แท้จริงของอุปกรณ์ไฮบริดสี่ตัวบนแพลตฟอร์มทดสอบคู่แบบคู่ขนานคู่ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่ากำลังการผลิตในปัจจุบันมีผลต่อการกระจายภายใต้อัตราส่วนกระแสไฮบริดที่แตกต่างกันในขณะที่ยังพิจารณาช่วงการทำงานที่ปลอดภัยของอุปกรณ์

2. คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับคุณสมบัติของอุปกรณ์ SI/SIC: 2.5 การสูญเสียที่ดีที่สุดในการสลับแบบอะซิงโครนัส

การจัดการตอกย้ำเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการออกแบบสวิตช์ไฮบริด SI/SIC โดยการควบคุมเวลาสลับของ Si IGBTS และ SIC MOSFETs อย่างแม่นยำเราสามารถบรรลุการสลับแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ (ZVS) ใน IGBTS ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียการสลับอย่างมีนัยสำคัญ คำถามสำคัญคือวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพการสูญเสียสวิตช์ไฮบริดผ่านกลยุทธ์การสลับแบบอะซิงโครนัส? โหมดการสลับที่แตกต่างกัน (ตัวเลือกการสลับเวลา) คืออะไร? ความล่าช้าในการเปิดและปิดการปิดที่แตกต่างกันส่งผลกระทบต่อการสูญเสียในรัฐและนอกรัฐในสวิตช์ไฮบริดอย่างไร นี่คือแง่มุมที่สำคัญที่เราต้องกล่าวถึง

ในที่สุดเราจะแนะนำไอซีไดรเวอร์ไฮบริดที่เป็นนวัตกรรมหลายแห่งที่มีอยู่ในตลาดที่เปิดใช้งานการทำงานแบบซิงโครนัสหรือแบบอะซิงโครนัสของ SIC MOSFETS และ SI IGBTS ในขณะที่รวมความสามารถในการจัดการเวลาขั้นสูง โดยการปรับเวลาหน่วงเวลาเปิด/ปิดแบบไดนามิกและลำดับความสำคัญแบบเรียลไทม์ ICS เหล่านี้เพิ่มประสิทธิภาพการสลับประสิทธิภาพในอุปกรณ์ไฮบริดซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบและความน่าเชื่อถือ

บทสรุป

ดังที่เห็นได้จากการแนะนำข้างต้นเพื่อให้เข้าใจทิศทางทางเทคนิคของ Sic-Si Hybrid Power Semiconductor อย่างเต็มที่และเป็นระบบแนวคิดโดยรวมของเราคือการทำสามขั้นตอน

ขั้นตอนที่ 1: เริ่มต้นด้วยองค์ประกอบพื้นฐานที่สุด ก่อนอื่นเข้าใจพวกเขาในเชิงลึกแล้วพูดคุย: ลักษณะเฉพาะของพวกเขาคืออะไร? พวกเขาทำงานแบบขนานได้อย่างไร? เราจะใช้คุณสมบัติของส่วนประกอบเหล่านี้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพประสิทธิภาพของระบบได้อย่างไร

ขั้นตอนที่ 2: หลังจากทำความเข้าใจกับลักษณะของอุปกรณ์และประสิทธิภาพภายใต้โหมดการสลับที่แตกต่างกันเราจะย้ายไปที่ระดับอินเวอร์เตอร์ จากการวิเคราะห์ของเราในระดับอุปกรณ์ส่วนนี้จะสำรวจวิธีการเพิ่มลักษณะเอาต์พุตทรานซิสเตอร์สูงสุดผ่านอัตราส่วน SIC/SI ที่เหมาะสมและกลยุทธ์การขับเคลื่อนที่ปรับให้เข้ากับสภาพการใช้งานในขณะที่บรรลุประสิทธิภาพของระบบที่สูงขึ้นและลดการสูญเสียพลังงาน เราจะใช้ประโยชน์จากความสามารถในการพกพาปัจจุบันของ SIC MOSFETS และ SI IGBTS ภายใต้สภาวะโหลดที่หลากหลายเพื่อให้เกิดความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและประสิทธิภาพได้อย่างไร

ส่วนที่ III: ได้รับความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับลักษณะของอุปกรณ์และแนวทางการใช้งานระดับระบบคำถามที่สำคัญต่อไปคือวิธีการใช้แนวคิดการออกแบบเหล่านี้ ส่วนนี้จะตรวจสอบวิธีการทำงานที่มีประสิทธิภาพของอุปกรณ์พลังงานไฮบริด SIC-SI ผ่านกลยุทธ์การควบคุมที่ออกแบบมาอย่างดีและสถาปัตยกรรมวงจรไดรเวอร์โดยมุ่งเน้นไปที่ ICS ของไดรเวอร์และการออกแบบวงจร

ในที่สุดคำถามที่สำคัญยังคงอยู่: แอพพลิเคชั่นที่ใช้งานได้จริงและโอกาสในอนาคตของสวิตช์ไฮบริด SI/SIC ในยานพาหนะไฟฟ้าคืออะไร? ในขณะที่ตลาด EV ยังคงขยายตัวและเทคโนโลยีพลังงานใหม่ล่วงหน้าความต้องการสำหรับอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงความหนาแน่นสูงและอุปกรณ์สลับที่น่าเชื่อถือสูงจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ด้วยประสิทธิภาพที่เหนือกว่าและข้อได้เปรียบด้านค่าใช้จ่ายสวิตช์ SI/SIC Hybrid อาจกลายเป็นโซลูชันการสลับที่โดดเด่นในไม่ช้าการฉีดโมเมนตัมที่สดใหม่ลงในนวัตกรรมผลิตภัณฑ์และการอัพเกรดเทคโนโลยี