Högtemperaturelektroniska system helt i kiselkarbid för elektriska fordon Mietek Bakowski, Acreo

Relevans (1/2) Kiselkarbid är halvledarmaterialet för elektronik med arbetstemperatur 250 till 300 C Masstillverkning av el- och hybridbilar kräver högtemperaturelektroniska system Fordonets totala vikt är en nyckel fråga för el/hybridbil lägre vikt betyder längre räckvidd Ett kompakt system leder till högre effekttäthet (W/cm 3 ) Hög arbetstemperatur möjliggör högre effekt per komponent (högre W/cm 2 ) och mindre och lättare system Kraftelektronik behöver sitta nära motorerna som blir varma Med kiselkarbid slipper man separat kylsystem för elektroniken vilket också spar vikt Omvandlare med kiselkarbid väger 3x mindre och har ½ effektförlusten jämfört med samma omvandlare med kisel

Relevans (2/2) Ett effektivt och kompakt energisystem leder till minskning av vikt och volym och i konsekvens till minskat bränsleförbrukning i hybridfordon och minskad elenergiförbrukning i elfordon Energisystemen kan bli avsevärt mer kompakta med IMCPM (Intelligent Multi-Chip Power Modul) konceptet och lågförlust SiC-elektronik Målet - ett inbyggd system kapabel att arbeta vid höga temperaturer och höga frekvenser - ett tre fas SiC invertersystem innehållande mikroprocessor, gatedrivningskretsar, kraftelektronik, skyddskretsar, minneskretsar och spänningsreglering

Utveckling av effekttäthet i elektriska system After H. Ohashi AIST (2004) and K. Hamada TOYOTA (2007)

GS450h PCU After K. Hamada TOYOTA (2007)

Standard Si kraftmodul

Dubbelsidigt vätskekyld Si kraftmodul

IMCPM kraftmodul med kiselkarbid 10x storleksreduktion möjlig Courtesy of APEI

IMCPM all-sic kraftmodul DC/DC Spännings regulator Skydd Överspänning Överström Övertemperatur Isolation SiC JFET Gate Drivsteg 10-50V Skydd/ Diagnostik SiC fasben mikroprocessor Skydd/ Diagnostik SiC SiC BJT & JBS 10-50A 1200V Lågspänningselektronik HT högspänningselektronik

SiC PCU

Syfte 2010 Det behövs en demonstration av elektronikfunktioner inklusive analog och digital baselektronik och sensorer SiC logik Konkretisera konceptet verifiera funktionalitet vid 250 C Realisera funktioner för styrning av krafkomponenter SiC kraftsystem Formulera utvärdera verifiera funktionalitet vid 250 C SiC diagnostik och skyddsfunktioner Formulera utvärdera verifiera funktionalitet Konstruktion och termisk design av IMCPM Specificiera utvärdera Specificera en DC/DC konvertermodul för hybridfordon Specificiera en DC/AC invertermodul för hybridfordon

Syfte 2010-2016 Första IMCPMs testas hos industri Disputerade forskare arbetar inom området Det finns uppföljningsprojekt inom området Det finns nya patent inom området Det startas ett tillverkningsföretag för IMCPMs SiC baserade kraftsystem för hybridfordon utvecklas med industriell finansiering Fler tillämpningar av IMCPMs uppmärksammas

Syfte 2016 IMCPMs ingår i elektriska system i personbilar, lastbilar, tunga fordon och hybridlok Det pågår ett intensivt arbete med inbyggda system baserade på kiselkarbid IMCPMs i syfte att integrera de i det globala kommunikations och informationssystemen som kommer att gälla lokalt i fordon och i trafiken i stort Svenska hybrid/elbilar är världsledande på marknaden som nu enbart består av elbilar, eftersom utsläppsskatterna på förbränningsmotorer har gjort det omöjligt att sälja bensinbilar modellerna märks med logotypen SwedSiC inside som kvalitetsmärke SwedSiC inside + - R T S

Uppföljningsindikatorer Tester av pilotmoduler hos system- och tillämpningsföretagen (Saab Automobile, Volvo 3P, Bombardier, Scania, Alstom, Danaher motion, Actia, BAE Systems Hägglunds (Bofors), Haldex traction,.) Antal tester hos potentiella kunder Antal disputerade forskare som arbetar med besläktade frågeställningar Antal uppföljningsprojekt inom området Antal uppföljningsprojekt inom andra områden Antal patentansökningar som kan härledas till projektet Antal produktreleaser som kan härledas till projektets tekniska resultat Antal spin-off företag som kan relateras till IPR genererat inom projektet och till projektets tekniska resultat

Exploateringsidé Åren 2010-2016 och med betydande finansiering från industri (50 100%) Framtagning av DC/DC konverter modul Framtagning av DC/AC inverter modul för 4 kw (10A, 1200V komponenter) eller 20 kw (50A, 1200V komponenter) Den totala kostnaden uppskattas till mellan 8-12 MSEK och tiden till 24-36 månader Medfinansiering och samarbete med system- och tillämpningsföretagen

Riskfaktorer Att inte göra snabba nog framsteg och mista möjligheten att etablera nya svenska produkter på marknaden Att underskatta svårigheter med att realisera alla för eloch hybridfordon nödvändiga funktioner förskjuter tidsskalan och kan framtvinga användning av alternativa teknologier (SOI) Skulle man misslyckas med att realisera IMCPMs i SiC har man byggt upp en betydelsefull teknik- och kunskapsbas samt realiserat funktionsblock med säker användning i en rad tillämpningar Tillförlitligheten och långtidsstabiliteten är relaterat till materialets kvalitet och komponenters mognadsgrad Fortsatt högt pris för halvledarmaterialet

Metoder Projektets målsättning är förenlig med de miljömål och direktiv för hållbar tillväxt som EU har ställt upp inom sina forskningsprogram Högre verkningsgrad i elektriska system och effektivt energiuttnytjande Satsningar på inbyggda system (Artemis) och mikroelektronik (Eniac) Projektet utnyttjar synergieffekter med andra projekt och verksamheter inom kiselkarbidteknologin

Metoder Inom 3 år skall vi konceptbestämma, utveckla och funktionsverifiera grundläggande elektroniska byggblock nödvändiga för att realisera IMCPM moduler för el- och hybridfordon i form av en DC/DC konverter och DC/AC inverter med marknadsrelevanta specifikationer Två olika koncept utvärderas en baserat på BJT och det andra på JFET som huvudswitch SiC logik realiseras i TTL teknik Målet är en IMCPM helt i kiselkarbid Projektet omfattar 4 aktivitetsområden och olika kompetenser System och styrelektronik KTH/EKC Kraftkomponenter Acreo Logik och halvledarkomponenter KTH/EKT Termiska beräkningar, modulkonstruktion JTH

Metoder Avd för elektriska maskiner och effektelektronik, KTH/EKC, Prof. Hans-Peter Nee, Georg Tolstoy Avdelningen har tidigare studerat möjligheten att utnyttja SiC-JFETar i kraftsystemet samt styrelektronik och skyddskoncept för JFETar. I samarbete med TranSiC har avdelningen även studerat basdrivning för SiC-BJT. Ansvarar inom projektet för Konceptet av IMCPM baserad på BJT alt. JFET Driv- och skyddskretsar för BJT alt. JFET IMCPM Elektrisk simulering av systemfunktioner Specifikation av prototypen för DC/DC konverter Specifikation av prototypen för DC/AC inverter 4kW (20kW) Budget 810 ksek/år

Metoder Acreo, Doc. Mietek Bakowski Acreo personal har arbetat med SiC sedan 1993. Har utvecklat Schottky dioder och MOSFET transistorer i 3C- och 4H-SiC samt utfört omfattande simuleringsstudier av SiC kraftkomponenter. Ansvarar inom projektet för Design/simulering av BJT och JFET kraftkomponenter Design/simulering av skydds och diagnostikfunktioner Tillverkning/karakterisering av SiC komponenter nödvändiga för modultester Marknadsstudie av IMCPMs för hybridfordon Marknadsrelevanta specifikationer för en DC/DC konverter och en DC/AC inverter Budget 1800 ksek/år

Metoder Avd för komponentteknologi inom KTH Mikroelektronik och tillämpad fysik, KTH/EKT, Prof. Carl-Mikael Zetterling och Dr. Gunnar Malm Avdelningen har arbetat med SiC sedan 1992. Har tagit fram basprocesser och studerat komponentstrukturer som Schottky, JBS, MOSFET, JFET och BJT. Företaget TranSiC har sitt ursprung i denna avdelning. Ansvarar inom projektet för Komponentkoncept och teknologi för SiC logik Design/simulering av logik komponenter Framtagning, verifiering och utvärdering av logik- och minnen och logiska funktioner Budget 1010 ksek/år

Metoder Centrum för Robust Elektronik, Doc. Peter Leisner och Doc. Ilia Belov Centrum har bedrivit ett gemensamt projekt med klustret Tunga Fordon kring inbyggd elektronik för svåra miljöer inom ramen för VINNVÄXT 2005. Har även haft samarbete med Acreo och Kitron kring inbyggda system och multichipmoduler i kisel (sedan 2001). Ansvarar inom projektet för Konstruktion och teknologi för IMCPM Termisk design av modulen Budget 400 ksek/år

Metoder Inom projektet finns representanter för båda genus och olika kulturer. Detta kännetecknar den miljö som är typiskt för Acreo, KTH och JTH. Ett medvetet jämställdhetsarbete bedrivs där genus och mångfaldsfrågor är föremål för regelbundna undersökningar, diskussion och åtgärder.