Новая силовая электроника DENSO

Компания DENSO запустила в массовое производство изделия силовой электроники нового поколения. Специалистам DENSO удалось создать массовый серийный полупроводник из карбида кремния (SiC) и одной из первых подтвердить целесообразность применения этого материала в автомобильной промышленности. Новый полупроводник входит в блок управления мощностью водородной топливной ячейки, который устанавливается на серийный автомобиль Toyota Mirai 2021 модельного года.

Компания DENSO уже несколько лет работает над реализацией новой технологии карбидкремниевых полупроводников с коммерческим названием REVOSIC ®. Задачей инженеров стала разработка методов применения силовых полупроводников из SiC (диодов и транзисторов) в транспортных средствах. Карбид кремния — это полупроводниковый материал нового поколения, имеющий немало преимуществ перед традиционным кремнием.

Преимущества нового материала

Силовые полупроводники, изготовленные из карбида кремния, по целому ряду показателей превосходят обычные кремниевые изделия. У SiC выше теплопроводность и напряжение пробоя и больше ширина запрещенной зоны, чем у кремния. Эти преимущества можно с максимальной пользой реализовать именно в силовой электронике.

Благодаря высокой теплопроводности полупроводник из SiC значительно лучше справляется с перегревом. Отвод тепла от этих полупроводников производится значительно проще, а значит, систему охлаждения силовых блоков для автомобилей можно сделать более легкой и компактной. Сам полупроводник способен в теории выдержать температуру до 1000 °C, что предохраняет оборудование на основе SiC от разрушения даже при кратковременном выходе системы охлаждения из строя. На практике силовые элементы оказываются более надежными при повышении рабочей температуры.

Высокое напряжение пробоя позволяет SiC-полупроводникам работать с напряжением даже в 10 раз выше того, на которое рассчитаны обычные кремниевые. Это свойство стало очередным убедительным аргументом для применения карбида кремния в силовой электронике. К тому же SiC-полупроводник при сравнимом значении сопротивления имеет меньшую площадь, чем традиционные полупроводники. Благодаря этому не только уменьшается размер конечного изделия, но и увеличивается его КПД. Силовой блок можно сделать компактнее и легче без потери мощности.

Разработка DENSO

Выдающиеся свойства карбида кремния открыли новые перспективы его использования в силовой электронике. Основной проблемой, до недавних пор препятствующей широкому применению этого материала, была высокая стоимость изготовления полупроводников из карбида кремния, что делало их коммерчески невыгодными для автомобильной отрасли.

Компания DENSO осваивала этот материал постепенно, задействовав свой многолетний опыт разработки автомобильной электроники. Еще в 2014 году в рамках развития этого проекта она выпустила транзистор SiC для неавтомобильного применения и внедрила его в коммерческую эксплуатацию для аудиопродукции. В дальнейшем компания продолжала исследовать возможности применения SiC в транспортных средствах и в 2018 году впервые создала продукт, который был использован в автобусах Toyota Sora, работающих на водородных топливных элементах.

Итогом многолетней работы DENSO стало появление первой коммерческой технологии автомобильных транзисторов из SiC, получившей название REVOSIC. Специалистам компании удалось создать доступный для массового производства, надежный и эффективный полупроводник, который сразу нашел применение в автомобильной промышленности.

Практическое применение технологии REVOSIC

Специалисты DENSO и Toyota применили технологию карбидкремниевых полупроводников REVOSIC в блоке управления мощностью силового агрегата последней модели Toyota Mirai. Новый материал использован в повышающих преобразователях напряжения, которые входят в блок управления мощностью, а также в инверторе для питания тягового электродвигателя. Применение SiC позволило значительно повысить напряжение в бортовой сети, а в итоге — и КПД силового агрегата в целом. Блок управления мощностью, сохранив показатели эффективности блока, установленного на Toyota Mirai предыдущего поколения, стал меньше и легче за счет использования карбида кремния.

Габариты нового блока уменьшились на 30 %, при этом технология REVOSIC обеспечила примерно на 70 % меньше потерь мощности на нагрев. Высокая производительность и уменьшение потерь на тепловыделение позволили более эффективно работать с топливной ячейкой, в результате чего увеличилась дальность хода новой Toyota Mirai.

Компания DENSO намерена и в дальнейшем активно исследовать и применять технологию карбидкремниевых полупроводников REVOSIC. Новое поколение полупроводников уже доказало свою высокую эффективность, а снижение их стоимости вскоре позволит реализовать более эффективные силовые схемы на широком модельном ряде электромобилей и гибридов.