اینورترهای کاربید سیلیکون چگونه برد و معماری حرارتی خودروهای برقی را متحول می‌کنند

تبدیل جریان مستقیم (DC) باتری خودرو به جریان متناوب (AC) مورد نیاز برای چرخاندن موتور، درون اینورتر کششی انجام می‌شود. هر وات انرژی که به چرخ‌ها می‌رسد باید از این دروازه عبور کند. اگر سوئیچ‌های نیمه‌رسانا درون اینورتر ناکارآمد عمل کنند، انرژی به صورت گرما تلف می‌شود، پیش از آنکه بتواند حرکتی ایجاد کند. این جزء واحد، حداکثر برد خودرو، سرعت شارژ آن و اندازه سیستم خنک‌کننده‌ای که برای جلوگیری از ذوب شدن پیشرانه لازم است را تعیین می‌کند.[6]

از لحاظ تاریخی، استاندارد صنعتی برای این وظیفه، ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده (IGBT) بوده است. IGBTها که از سیلیکون استاندارد ساخته شده‌اند، فناوری بالغ، قابل اعتماد و تولیدشان ارزان است. با این حال، آنها ذاتاً توسط خواص فیزیکی سیلیکون محدود می‌شوند. هنگامی که یک خودروی برقی شتاب می‌گیرد، ترانزیستورهای اینورتر هزاران بار در ثانیه روشن و خاموش می‌شوند. در طول هر یک از این انتقال‌ها، سیلیکون استاندارد به اندازه‌ای در برابر جریان الکترون‌ها مقاومت می‌کند که گرمای قابل توجهی تولید شود—پدیده‌ای که به عنوان «تلفات سوئیچینگ» شناخته می‌شود.[4][6]

علم مواد که در حال رفع این گلوگاه است، کاربید سیلیکون (SiC) نام دارد. کاربید سیلیکون به عنوان یک نیمه‌رسانای دارای شکاف باند گسترده، برای انتقال الکترون‌ها از حالت سکون به حالت رسانا به انرژی بیشتری نیاز دارد، اما پس از فعال شدن، به آنها اجازه می‌دهد بسیار آزادانه‌تر از سیلیکون استاندارد حرکت کنند. این ساختار اتمی، ترانزیستورهای SiC را قادر می‌سازد تا سریع‌تر و تمیزتر سوئیچ کنند و انرژی تلف شده در طول تبدیل DC به AC را به شدت کاهش دهند.[4][6]

افزایش کارایی کاملاً مشهود است. بر اساس داده‌های مهندسی شرکت بورگ‌وارنر (BorgWarner)، جایگزینی IGBTهای سیلیکونی با قطعات کاربید سیلیکون، تلفات توان درون اینورتر را تا ۷۰ درصد کاهش می‌دهد. از آنجا که انرژی کمتری به صورت گرما تلف می‌شود، درصد بالاتری از انرژی ذخیره شده باتری به موتور کششی می‌رسد.[2]

استفن لمبرت، رئیس بخش برق‌رسانی در مک‌لارن اپلاید (McLaren Applied)، در سال ۲۰۲۳ به نشریه پاور الکترونیکس نیوز گفت: «اینورتر اغلب بخشی نادیده‌گرفته‌شده از پیشرانه خودروی برقی است، اما به عنوان دستگاهی که توان DC ذخیره‌شده در باتری را به توان AC مورد استفاده در موتور الکتریکی تبدیل می‌کند، نقشی اساسی دارد.» اینورتر IPG5 کاربید سیلیکون متعلق به مک‌لارن اپلاید، که در فرکانس‌های سوئیچینگ تا ۳۲ کیلوهرتز کار می‌کند، برد رانندگی خودرو را بیش از ۷ درصد در مقایسه با سیستم‌های قدیمی IGBT افزایش می‌دهد.

این افزایش برد، آبشاری از مزایای معماری پایین‌دستی را به دنبال دارد. از آنجا که SiC گرمای کمتری تولید می‌کند، می‌توان سیستم مدیریت حرارتی را کوچک‌تر کرد. ماژول ۸۰۰ ولتی وایپر (Viper) SiC شرکت بورگ‌وارنر از خنک‌سازی دوطرفه استفاده می‌کند که وزن محصول را ۴۰ درصد و ابعاد فیزیکی آن را ۳۰ درصد در مقایسه با اینورترهای سنتی مبتنی بر سیلیکون کاهش می‌دهد.[2]

این مقاومت حرارتی است که معماری‌های ۸۰۰ ولتی خودرو را عملی می‌سازد. عبور ۸۰۰ ولت از طریق IGBTهای سیلیکونی استاندارد، بارهای حرارتی ایجاد می‌کند که نیازمند حلقه‌های خنک‌کننده مایع سنگین و پیچیده هستند. در مقابل، کاربید سیلیکون در تنش‌های حرارتی بالا عملکرد مطلوبی دارد. در ژوئن ۲۰۲۶، شرکت تولیدکننده نیمه‌رسانا ولف‌اسپید (Wolfspeed) نسل پنجم ماسفت‌های SiC خود را معرفی کرد که برای دماهای پیوند پیوسته ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد درجه‌بندی شده‌اند.[3][4]

دکتر چنگیز بالکاس، مدیر ارشد کسب‌وکار ولف‌اسپید، اظهار داشت: «آنچه مرا بیش از همه هیجان‌زده می‌کند، صرفاً سرعت نوآوری ما نیست؛ بلکه چیزی است که این فناوری برای مشتریان ما فراهم می‌کند: مسیری سریع‌تر به سوی سیستم‌های هوشمندتر، کارآمدتر و فشرده‌تر که برای شرایط دنیای واقعی ساخته شده‌اند.» فناوری نسل ۵ این شرکت، ۲۷ درصد بهبود کارایی نسبت به راه‌حل‌های رقیب ۱۲۰۰ ولتی به دست آورد و مساحت فعال مورد نیاز تراشه را بیش از پیش کاهش داد.[3]

مانع اصلی در برابر پذیرش جهانی، همچنان پیچیدگی تولید است. رشد بلورهای کاربید سیلیکون به طور مشهودی دشوار است. شمش‌ها باید در کوره‌های رسوب بخار در دماهای بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد و طی چندین هفته شکل بگیرند، که این امر باعث می‌شود ویفرهای ۲۰۰ میلی‌متری حاصل به طور قابل توجهی گران‌تر از سیلیکون استاندارد باشند.[5][6]

با این حال، اقتصاد در سطح سیستم به شدت به نفع تراشه گران‌تر است. مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۲ که توسط محققان MDPI در مجله Energies منتشر شد، نشان داد که استفاده از ماژول توان SiC، انرژی رانندگی مورد نیاز خودروی برقی را از ۱۳.۱۲ کیلووات ساعت در هر ۱۰۰ کیلومتر به ۱۲.۴۷ کیلووات ساعت کاهش داد.[1]

برای یک خودروساز که خودرویی با برد هدف ۵۰۰ کیلومتر طراحی می‌کند، این افزایش کارایی به این معنی است که می‌تواند به جای بسته باتری ۶۵.۶ کیلووات ساعت، یک بسته ۶۲.۳۵ کیلووات ساعت نصب کند. اینورتر کاربید سیلیکون به تنهایی نیاز به ۳.۲۵ کیلووات ساعت سلول باتری را حذف می‌کند. با نرخ‌های فعلی بازار، حذف این سلول‌ها صدها دلار صرفه‌جویی و تقریباً ۲۰ کیلوگرم کاهش جرم به همراه دارد، که به طور کامل قیمت بالاتر نیمه‌رسانای SiC را جبران می‌کند.[1][6]

با وجود این مزایا، سیلیکون استاندارد منسوخ نشده است. یکپارچه‌سازان سیستم عمل‌گرا مانند ان‌اکس تکنولوژی (NX Technologies) معتقدند که IGBTها همچنان بهترین نسبت هزینه به عملکرد را برای خودروهای رفت و آمد اصلی ۴۰۰ ولتی ارائه می‌دهند. مهندسان با بهینه‌سازی طراحی صفحه خنک‌کننده و پالایش کنترل درایو گیت نرم‌افزار، می‌توانند کارایی کافی را از سیلیکون ارزان‌تر استخراج کنند، بدون اینکه زنجیره تأمین را در معرض کمبود ویفرهای SiC قرار دهند.[4]

تقسیم کار در بخش خودروسازی اکنون بر اساس خطوط ولتاژ ترسیم می‌شود. پلتفرم‌های ۸۰۰ ولتی با عملکرد بالا، برد طولانی و شارژ سریع، منحصراً به سمت کاربید سیلیکون حرکت می‌کنند. در همین حال، معماری‌های ۴۰۰ ولتی سطح پایه همچنان به تولید بالغ و بازده بالای IGBTهای سیلیکونی متکی هستند.[4][6]

اینورتر کششی دیگر یک جزء عبوری منفعل نیست. این قطعه اکنون محدودیت فعال بر عملکرد خودروی برقی است و علم مواد نیمه‌رساناهای آن، هندسه، وزن و هزینه کل پیشرانه را تعیین می‌کند.[6]