Cuộc cách mạng xe điện đang tăng tốc trên toàn thế giới, và ở trung tâm của nó là một câu hỏi quan trọng: làm thế nào để sạc xe nhanh hơn, hiệu quả hơn và tiết kiệm hơn? Tại EVSELab, chúng tôi tin rằng câu trả lời nằm ở công nghệ bán dẫn Silicon Carbide (SiC) — một vật liệu dải cấm rộng đang định hình lại toàn bộ bức tranh điện tử công suất.
Silicon Carbide (SiC) là gì?
Silicon Carbide là vật liệu bán dẫn hợp chất được tạo thành từ các nguyên tử silicon và carbon sắp xếp trong cấu trúc tinh thể. Khác với silicon truyền thống (Si), SiC thuộc họ bán dẫn dải cấm rộng (Wide Bandgap - WBG), nghĩa là cần nhiều năng lượng hơn đáng kể để electron nhảy từ dải hóa trị sang dải dẫn.
Các đặc tính vật liệu chính
- Năng lượng dải cấm: 3.26 eV (so với 1.12 eV của Si)
- Điện trường đánh thủng: ~3 MV/cm (cao hơn khoảng 10 lần so với Si)
- Độ dẫn nhiệt: ~4.9 W/cm-K (cao hơn khoảng 3 lần so với Si)
- Vận tốc bão hòa electron: ~2.7 x 10^7 cm/s (cao hơn 2 lần so với Si)
Những ưu điểm nội tại về vật liệu này chuyển đổi trực tiếp thành cải thiện hiệu suất thực tế trong các bộ chuyển đổi điện tử công suất dùng cho sạc xe điện.
Tại sao SiC quan trọng cho bộ sạc xe điện
Hiệu suất cao hơn ở cấp hệ thống
Các IGBT và MOSFET silicon truyền thống trong bộ sạc nhanh DC thường đạt hiệu suất chuyển đổi công suất trong khoảng 93–95%. Khi thay thế bằng SiC MOSFET, hiệu suất cấp hệ thống đạt 97–98% hoàn toàn khả thi. Mức cải thiện 2–4 điểm phần trăm này tưởng như nhỏ, nhưng ở mức công suất 60 kW đến 360 kW, lượng năng lượng tiết kiệm được là rất đáng kể.
Đối với bộ sạc nhanh DC 120 kW hoạt động 12 giờ mỗi ngày, cải thiện hiệu suất 3% tiết kiệm khoảng 1.300 kWh mỗi năm — tương đương mức tiêu thụ năng lượng hàng năm của một hộ gia đình nhỏ.
Hiệu năng nhiệt vượt trội
Linh kiện SiC có thể hoạt động ở nhiệt độ tiếp giáp vượt quá 175 độ C, so với giới hạn thông thường 150 độ C của silicon IGBT. Quan trọng hơn, tổn hao dẫn và tổn hao chuyển mạch thấp hơn trong linh kiện SiC tạo ra ít nhiệt hơn đáng kể ngay từ đầu.
Điều này có hai ý nghĩa thực tế cho thiết kế bộ sạc:
- Giảm yêu cầu tản nhiệt: Tản nhiệt nhỏ hơn, ít quạt hơn, hoặc đơn giản hóa hệ thống làm mát chất lỏng
- Mật độ công suất cao hơn: Công suất đầu ra lớn hơn từ cùng thể tích vỏ ngoài
Tần số chuyển mạch nhanh hơn
SiC MOSFET có thể chuyển mạch ở tần số 50–200 kHz trong các topology chuyển mạch cứng, so với khoảng 20–40 kHz thông thường của silicon IGBT. Tần số chuyển mạch cao hơn cho phép:
- Các linh kiện từ tính nhỏ hơn (cuộn cảm và biến áp)
- Lọc đầu ra cải thiện với ripple giảm
- Đáp ứng động tốt hơn với các biến đổi tải
Giảm kích thước và trọng lượng hệ thống
Sự kết hợp của hiệu suất cao hơn, đặc tính nhiệt tốt hơn và tần số chuyển mạch nhanh hơn tạo ra các hệ thống sạc nhỏ và nhẹ hơn 30–50% so với thiết kế dựa trên silicon tương đương. Điều này đặc biệt quan trọng cho bộ sạc AC gắn tường và bộ sạc nhanh DC nhỏ gọn triển khai trong môi trường đô thị hạn chế không gian.
SiC trong các topology sạc khác nhau
Bộ sạc AC (Level 1 và Level 2)
Đối với bộ sạc AC hoạt động ở 3.3 kW đến 22 kW, diode SiC trong tầng Hiệu chỉnh Hệ số Công suất (PFC) và SiC MOSFET trong tầng chuyển đổi DC/DC mang lại cải thiện hiệu suất rõ rệt. Topology PFC totem-pole không cầu chỉnh lưu, chỉ khả thi với linh kiện SiC hoặc GaN, loại bỏ nhu cầu cầu diode chỉnh lưu và có thể đạt hiệu suất PFC trên 99%.
Bộ sạc nhanh DC (Level 3)
Bộ sạc nhanh DC hoạt động ở 30 kW đến 360 kW được hưởng lợi rất lớn từ công nghệ SiC. Các kiến trúc phổ biến bao gồm:
- Bộ chỉnh lưu Vienna phía đầu vào với diode SiC
- Đầu vào tích cực ba pha (AFE) với SiC MOSFET cho dòng công suất hai chiều
- Bộ chuyển đổi DC/DC cầu đầy đủ lệch pha hoặc cộng hưởng LLC với SiC MOSFET
Ở các mức công suất này, ưu điểm về nhiệt và hiệu suất của SiC được nhân lên, khiến nó trở thành lựa chọn rõ ràng cho các nền tảng sạc thế hệ tiếp theo.
Bộ sạc tích hợp trên xe (OBC)
Bộ sạc tích hợp trên xe, thường có công suất định mức 3.3 kW đến 22 kW, đối mặt với ràng buộc khắt khe về kích thước và trọng lượng. SiC cho phép thiết kế OBC với mật độ công suất vượt quá 4 kW/L, cải thiện đáng kể so với mức 1.5–2.5 kW/L thông thường của thiết kế dựa trên silicon.
Xu hướng thị trường và lộ trình chi phí
Rào cản chính đối với việc áp dụng SiC từ trước đến nay là chi phí. Wafer SiC tốn kém hơn để sản xuất so với wafer silicon, và hiệu suất sản xuất truyền thống thấp hơn. Tuy nhiên, bức tranh đang thay đổi nhanh chóng:
- Chuyển đổi wafer 6 inch sang 8 inch: Các nhà cung cấp lớn gồm Wolfspeed, STMicroelectronics và Infineon đang đẩy mạnh sản xuất wafer SiC 8 inch, giúp giảm chi phí mỗi die ước tính 30–40%.
- Cạnh tranh gia tăng: Các nhà sản xuất SiC Trung Quốc như SICC và TankeBlue đang mở rộng công suất, tạo áp lực cạnh tranh về giá.
- Quy mô sản lượng: Khi sản xuất xe điện mở rộng toàn cầu, nhu cầu linh kiện SiC đang thúc đẩy kinh tế quy mô.
Các nhà phân tích ngành dự báo giá SiC MOSFET sẽ giảm 40–50% trong giai đoạn 2024 đến 2028, khiến chúng cạnh tranh về chi phí với silicon IGBT trên cơ sở cấp hệ thống khi tính đến chi phí tản nhiệt và linh kiện thụ động giảm.
EVSELab tận dụng công nghệ SiC như thế nào
Tại EVSELab, chúng tôi đã thiết kế các bộ chuyển đổi công suất dựa trên SiC kể từ ngày thành lập. Đội ngũ kỹ sư tại TP. Hồ Chí Minh mang đến chuyên môn sâu về ứng dụng bán dẫn dải cấm rộng cho mọi sản phẩm chúng tôi phát triển.
Danh mục sạc SiC của chúng tôi
- Nền tảng Ladybug (3.3 kW OBC): Module sạc tích hợp trên xe nhỏ gọn sử dụng SiC MOSFET trong topology totem-pole PFC + cộng hưởng LLC, đạt hiệu suất đỉnh 96.5%
- Nền tảng Grasshopper (20 kW DC module): Module công suất sạc nhanh DC có khả năng mở rộng với triển khai SiC toàn bộ, được thiết kế cho kiến trúc sạc module
- Dịch vụ thiết kế tùy chỉnh: Chúng tôi làm việc với các OEM và nhà vận hành trạm sạc để phát triển giải pháp sạc dựa trên SiC phù hợp với yêu cầu cụ thể
Phương pháp thiết kế
Cách tiếp cận thiết kế bộ sạc SiC của chúng tôi tuân theo quy trình APQP (Hoạch định Chất lượng Sản phẩm Tiên tiến), đảm bảo mọi quyết định thiết kế — từ lựa chọn bán dẫn đến quản lý nhiệt đến tuân thủ EMC — được xác nhận thông qua kiểm tra nghiêm ngặt ở mỗi giai đoạn phát triển.
Nhìn về phía trước
Sự hội tụ của chi phí SiC giảm, việc áp dụng xe điện tăng và các quy định hiệu suất ngày càng chặt chẽ đang tạo ra môi trường hoàn hảo để công nghệ SiC trở thành lựa chọn mặc định cho tầng công suất của bộ sạc xe điện. Tại EVSELab, chúng tôi cam kết đi đầu trong quá trình chuyển đổi này, cung cấp các giải pháp sạc dựa trên SiC hiệu quả hơn, nhỏ gọn hơn và đáng tin cậy hơn bao giờ hết.
Tương lai của sạc xe điện là dải cấm rộng, và tương lai đó đã ở đây.
Muốn tìm hiểu thêm về thiết kế sạc dựa trên SiC của chúng tôi? Liên hệ đội ngũ kỹ thuật để thảo luận về yêu cầu dự án của bạn.
