Permettre aux véhicules électriques de voyager 5 % plus loin grâce à un fournisseur de SiC de confiance
Par : Jonathan Liao, Sr. Product Line Manager, Automotive Traction Solutions, onsemi.
l'emballage SiC d'onsemi présente une faible résistance thermique, la meilleure de l'industrie.
L’adoption des véhicules électriques (EV) est en hausse, en raison de la demande croissante des consommateurs, des préoccupations et réglementations environnementales et des options disponibles. Selon une étude récente de Goldman Sachs, les ventes de véhicules électriques représentaient 10 % des ventes mondiales de voitures en 2023. D’ici 2030, cette prévision devrait passer à 30 % et d’ici 2035, les ventes de véhicules électriques pourraient représenter la moitié des ventes mondiales de voitures. Cependant, « l’angoisse de l’autonomie », la crainte de ne pas pouvoir parcourir la distance souhaitée entre deux charges de la batterie, est l’un des principaux obstacles à l’adoption des véhicules électriques.
Et la clé pour surmonter ce problème sera d’accroitre l’autonomie des véhicules sans augmenter significativement les coûts. Cet article montre comment l'utilisation de transistors à effet de champ à grille métal-oxyde (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, MOSFET) en carbure de silicium (SiC) dans l'onduleur de traction peut faire gagner jusqu'à 5% d'autonomie à un véhicule électrique. Il explique également pourquoi certains fabricants d'équipement d'origine (original equipment manufacturers, OEM) ont été réticents à passer des transistors bipolaires à grille isolée (insulated gate bipolar transistors, IGBT) à base de silicium aux dispositifs SiC, ainsi que les efforts de onsemi pour atténuer ces préoccupations et inspirer confiance dans cette technologie de semi-conducteurs à large bande interdite qui est maintenant mature.
Tendances en matière de traction automobile
L'onduleur de traction principal d'un véhicule électrique transforme la tension continue de la batterie en la tension alternative requise par le moteur électrique de traction, responsable de la propulsion du véhicule. Les tendances récentes en matière de conception d'onduleurs de traction sont les suivantes :
- Augmentation de la puissance : plus la puissance de sortie de l'onduleur est élevée, meilleurs sont son accélération et sa réactivité aux commandes du conducteur.
- Maximiser l'efficacité : la quantité d'énergie consommée par l'onduleur doit être minimisée pour augmenter la puissance disponible pour la propulsion.
- Une tension plus élevée : jusqu'à récemment, les batteries de 400 V étaient les plus courantes, mais l'industrie automobile s'oriente vers le 800 V pour réduire le courant, l'épaisseur des câbles et le poids. L’onduleur de traction d’un véhicule électrique doit pouvoir fonctionner à ce niveau de tension plus élevé et utiliser les bons composants.
- Poids et taille réduits : le SiC a une densité de puissance (kW/kg) plus élevée que les IGBT à base de silicium. Ceci permet de réduire la taille du système (kW/litre), ce qui contribue à réduire le poids de l'onduleur de traction avec moins de charge pour le moteur électrique. Le poids réduit du véhicule augmente son autonomie sans changer la batterie, tout en réduisant la taille du groupe motopropulseur, augmentant l’espace disponible pour les occupants et la charge utile du coffre.
Tendances récentes dans la conception des onduleurs de traction pour véhicules électriques
Avantages du SiC par rapport au silicium
Le carbure de silicium présente plusieurs avantages physique par rapport au silicium, ce qui en fait un meilleur choix pour la conception d'onduleurs de traction. Le premier est sa dureté physique – 9,5 Mohs contre 6,5 Mohs pour le silicium – ce qui lui permet de mieux supporter le frittage à haute pression et lui confère une plus grande intégrité mécanique. Sa conductivité thermique (4,9 W/cm.K) est plus de quatre fois supérieure à celle du silicium (1,15 W/cm.K), ce qui signifie qu'il reste fiable à des températures plus élevées tout en transférant la chaleur plus efficacement. Enfin, le SiC a une tension de claquage 8 fois plus élevée (2 500 kV/cm contre 300 kV/cm) et sa large bande interdite lui permet de se fermer et s’ouvrir² plus rapidement, ce qui en fait un meilleur choix pour les architectures de tension de plus en plus élevée (800 V) des véhicules électriques, tandis que sa large bande interdite lui permet de présenter des pertes plus faibles que celles du silicium.
Répondre aux préoccupations traditionnelles concernant l’adoption du SiC
Malgré les avantages du SiC, certains équipementiers automobiles ont mis du temps à abandonner les dispositifs de commutation plus traditionnels à base de silicium, comme les IGBT, pour les onduleurs de traction. La réticence à l'adoption du SiC s'explique notamment par le fait qu'il est perçu comme:
- Une technologie qui n'est pas suffisamment mature
- Difficile à mettre en œuvre
- N’étant pas disponible dans un boitier adapté à la traction
- Ayant un approvisionnement qui n'est pas aussi facilement disponible que les dispositifs à base de silicium
- Plus onéreux que les IGBT
La section suivante présente une approche à plusieurs arguments montrant pourquoi ces perceptions sont infondées et pourquoi les équipementiers devraient utiliser en toute confiance le SiC dans un onduleur de traction pour véhicules électriques.
Preuves que le SiC augmente l’efficacité des onduleurs de traction
La première étape pour inspirer confiance consiste à démontrer l’avantage évident en termes de performances que l’on peut obtenir en utilisant le SiC dans les conceptions d’onduleurs de traction. Les modules de puissance EliteSiC Power 900 V six-pack NVXR17S90M2SPB (1,7mΩ Rdson) et NVXR22S90M2SPB (2,2mΩ Rdson) de onsemi, ont été simulés à l'aide d'un logiciel de conception de circuits et leurs performances ont été comparées à celles de l'IGBT 820 A VE-Trac Direct (également de onsemi). Les simulations sur une conception d’onduleur de traction ont démontré que:
- Pour une tension de bus de 450 V DC avec une puissance délivrée de 550 Arms à une fréquence de découpage de 10 KHz, la Tvj (température de jonction) des modules SiC (111°C) était inférieure de 21 % à celle de l'IGBT (142°C) pour les mêmes conditions de refroidissement.
- Par rapport à l'IGBT, les pertes de commutation moyennes dans le NVXR17S90M2SPB étaient inférieures de 34,5 %, tandis que les pertes du NVXR22S90M2SPB étaient inférieures de 16,3 %.
- Les pertes globales étaient réduites de plus de 40 % pour une solution d'onduleur de traction complète mise en œuvre à l'aide du NVXR17S90M2SPB, tandis que les pertes de puissance ont été réduites de 25 % en utilisant le NVXR22S90M2SPB par rapport à une conception basée sur l'IGBT.
Bien que ces améliorations soient spécifiques à l'onduleur de traction, elles se traduisent par un gain d'efficacité de 5 % dans les performances globales du véhicule électrique, permettant d'augmenter l'autonomie de 5 %. Par exemple, un véhicule électrique doté d’une batterie de 100 kW offrant une autonomie de 500 km pourrait parcourir jusqu’à 525 km en utilisant un onduleur de traction conçu à l’aide des modules d’alimentation EliteSiC de onsemi. Il est important de noter que le coût d’utilisation du SiC dans un tel onduleur de traction serait également inférieur de 5 % à celui des IGBT au silicium.
Le SiC fournit une puissance supérieure à celle des IGBT pour un encombrement similaire
Pour les OEM qui envisagent d'abandonner l'IGBT, onsemi propose des modules SiC avec une empreinte mécanique similaire pour une intégration plus simple, ce qui facilite également l’implémentation sans aucun changement dans le processus de fabrication. De plus, ils offrent l’avantage supplémentaire d’une puissance délivrée plus élevée à la même température de jonction. Par exemple, le NVXR17S90M2SPB peut fournir 760 Arms, contre seulement 590 Arms pour un IGBT (Tvj = 150 ºC), ce qui représente une augmentation de puissance de 29 %. De plus, onsemi fritte les éléments SiC sur une plaque cuivre-céramique-cuivre (DBC), permettant une résistance thermique jusqu'à 20 % inférieure entre la jonction du dispositif et le liquide de refroidissement (Rth jonction/fluide = 0,08 ºC/W).
Le boîtier moulé par transfert (transfer molded) utilisant une technologie d'interconnexion avancée contribue également à la densité de puissance élevée de ces modules et offre en outre une faible inductance parasite (importante pour l'efficacité de commutation à grande vitesse). La fréquence de commutation plus élevée peut réduire la taille et le poids de certains composants passifs du système. De plus, ce type d'encapsulation, avec des options allant jusqu'à une température de fonctionnement de 200 ºC, réduit les besoins de refroidissement des équipementiers et permet l'utilisation éventuelle de pompes plus petites pour la gestion thermique.
Le passage au SiC se justifie au-delà de l’onduleur de traction
À mesure que la tension des batteries des véhicules électriques augmente, les courants électriques peuvent être réduits pour obtenir la même puissance de sortie. Au niveau du système, les câbles dans l'automobile deviennent plus fins. Le passage au SiC deviendra de plus en plus logique car les dispositifs SiC produisent moins de chaleur que ceux au silicium, permettant des niveaux de densité de puissance encore plus élevés, non seulement dans les onduleurs de traction mais dans l'ensemble de l'architecture des EV.
onsemi répond aux préoccupations d'approvisionnement des équipementiers
onsemi a investi massivement dans la création d'une chaîne d'approvisionnement et d'un écosystème SiC entièrement intégrés et matures, y compris pour l'épitaxie des plaquettes et la fabrication de produits discrets en 150 mm (200 mm prévus), de dispositifs de circuits intégrés, de modules et de conceptions d'applications de référence. Après plus d'une décennie de travail, l’expertise de onsemi peut fournir l’assurance ultime nécessaire pour dissiper toute inquiétude que les constructeurs automobiles pourraient avoir concernant le passage au SiC.
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