أحدثت أشباه الموصلات في مجموعة البنك الدولي ثورة في تصميم السيارات (الجزء الثاني)

أصبح الآن استخدام كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم لتلبية متطلبات تصميم السيارات الكهربائية معيارًا في تصميم سيارات الجيل التالي لتعزيز الاستدامة. الخطوط الديناميكية الهوائية أو المواد الأخف وزنا ليست كافية لضمان كفاءة السيارات الكهربائية. لتلبية متطلبات الكفاءة وكثافة الطاقة، يجب على مصممي إلكترونيات الطاقة أن يتطلعوا إلى تقنيات جديدة.

تمثل مواد أشباه الموصلات المتقدمة ذات فجوة النطاق الواسعة (WBG)، وخاصة GaN وSiC، تحسينًا على تقنيات أشباه الموصلات الحالية مثل MOSFETs وIGBTs. في الأساس، تتوافق فجوة النطاق مع الطاقة اللازمة لإثارة الإلكترونات من نطاق التكافؤ لمادة ما إلى نطاق التوصيل. وبهذا المعنى، تتمتع مواد WBG بفجوة نطاق أعلى بكثير من السيليكون. تسمح أشباه الموصلات WBG للأجهزة بالعمل بجهد وترددات ودرجات حرارة أعلى بكثير من السيليكون، مع فقد أقل بكثير في التبديل والتوصيل. تتمتع مواد WBG أيضًا بخصائص التوصيل والتحويل أفضل بحوالي 10 مرات من السيليكون التقليدي. هذه الخصائص تجعل تقنية WBG تطبيقًا طبيعيًا لإلكترونيات الطاقة، خاصة لتطبيقات المركبات الكهربائية، حيث يمكن أن تكون مكونات SiC وGN ذات أحجام أصغر، ولها سرعات أعلى وتكون أكثر كفاءة في نفس الوقت.

ومع ذلك، يجب أيضًا تقييم مزايا أجهزة WBG على أساس التعقيد وارتفاع تكاليف الإنتاج الضخم. في حين أن مكونات WBG قد تكون أكثر تكلفة في البداية، إلا أن تكلفتها تستمر في الانخفاض وستؤدي في النهاية إلى توفير تكاليف النظام الإجمالية في المستقبل. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استخدام أجهزة SiC في السيارة الكهربائية إلى زيادة التكاليف الأولية بعدة مئات من اليورو، ولكن النتيجة هي توفير إجمالي لأن البطاريات تكلف أقل، وتحتاج إلى مساحة أقل، كما أن حلول التبريد أبسط على مستوى البناء – على سبيل المثال، مع المبددات الحرارية الأصغر.

الاعتبارات الفنية لأجهزة SiC وGaN في تصميم السيارات

تعد تكنولوجيا الطاقة لمجموعة WBG جزءًا لا يتجزأ من نجاح السيارات الكهربائية والمركبات الهجينة، مما يساعد على تسريع اعتماد المركبات الكهربائية على مستوى العالم من خلال التغلب على بعض القيود المتأصلة في التنقل الكهربائي. لتلبية متطلبات الكفاءة وكثافة الطاقة المتزايدة لأنظمة المركبات الكهربائية مثل العاكسات وأجهزة الشحن المدمجة، يمكن لمصممي إلكترونيات الطاقة في السيارات الاستفادة من أشباه الموصلات WBG الأكثر تقدمًا، مثل SiC وGaN. وكما ذكرنا سابقًا، توفر هذه المنتجات مجموعة ميزات، بما في ذلك فقد أقل، وترددات تحويل أعلى، ودرجات حرارة تشغيل أعلى، ومتانة في البيئات القاسية، وفولتية انهيار أعلى مقارنة بأجهزة السيليكون التقليدية. تم تكوين SiC كتقنية رئيسية مصممة لتطبيقات المركبات الكهربائية المتعددة، مثل محولات الجر والشواحن الموجودة على متن السيارة (OBCs) ومحولات الطاقة DC/DC.

يمكن أن يعمل GaN وSiC في درجات حرارة أعلى مع عمر متوقع مماثل، أو يمكن أن يعملا في درجات حرارة مشابهة لأجهزة السيليكون مع عمر أطول بكثير. لدى مصممي أنظمة إلكترونيات الطاقة اليوم العديد من خيارات التصميم اعتمادًا على متطلبات التطبيق المحدد. بشكل عام، يتيح لك استخدام مواد مجموعة البنك الدولي الاختيار بين استراتيجيات ومسارات التصميم المختلفة، اعتمادًا على أهداف المشروع النهائي. على سبيل المثال، يمكننا أن نقرر استخدام نفس تردد التبديل وزيادة طاقة الخرج، أو يمكننا استخدام نفس تردد التبديل وتقليل كمية تبديد الحرارة التي يتطلبها النظام، وبالتالي توفير التكلفة الإجمالية للمكونات. وبخلاف ذلك، يمكن للمصممين اختيار زيادة تردد التبديل مع الحفاظ على نفس فقدان الطاقة في المحول. كما ترون، هناك العديد من الخيارات القابلة للتخصيص.

العاكسون

يتحكم العاكس في محرك الجر الكهربائي في المركبات الكهربائية. يعد هذا مكونًا مهمًا في نظام الدفع المكهرب ويمكن أن يستفيد من أجهزة WBG. تتمثل الوظيفة الرئيسية للعاكس في تحويل جهد التيار المستمر إلى شكل موجة تيار متردد ثلاثي الطور لقيادة محرك السيارة ثم تحويل جهد التيار المتردد الذي تم تطويره بواسطة الكبح المتجدد إلى جهد تيار مستمر لإعادة شحن البطارية. ولتشغيل المحرك الكهربائي، يقوم العاكس بتحويل الطاقة المخزنة في حزمة البطارية إلى تيار متردد، وبالتالي كلما انخفضت الخسائر أثناء مرحلة التحويل، زادت كفاءة النظام. تضمن أجهزة SiC موصلية أكبر وتردد تحويل أعلى من أجهزة السيليكون. وبالتالي فإن SiC يقلل من فقدان الطاقة بسبب تبديد طاقة أقل على شكل حرارة. لهذا السبب، فإن الكفاءة الأكبر للمحولات المعتمدة على كربيد السيليكون تعني نطاقًا أكبر من المركبات الكهربائية.

يقوم العديد من مصنعي السيارات الكهربائية اليوم بدمج وحدات الطاقة SiC للعاكس الرئيسي. يمكن أن يؤدي اعتماد SiC لعاكس EV إلى تقليل حجمه بمقدار 5x تقريبًا، وتخفيف وزنه بحوالي 3x وتقليل فقد الطاقة إلى النصف مقارنة باستخدام السيليكون لمنتج مماثل. من الممكن الحصول، على سبيل المثال، على تصميم لمحول OBC ومحول DC/DC، مدمجين في حزمة أصغر وأخف وزنًا وأكثر كفاءة من التصميمات المماثلة المبنية باستخدام أجهزة السيليكون.

OBCs

تتطلب أنظمة شحن المركبات الكهربائية، المعروفة أيضًا باسم OBCs، تحويل الطاقة الكهربائية من التيار المتردد (عادةً من شبكة توزيع الكهرباء) إلى التيار المباشر. ومن خلال أجهزة WBG، يمكن تنفيذ دوائر جديدة لشحن المركبات الكهربائية. مع وجود فجوة نطاق أكبر من السيليكون بمقدار 2 إلى 3 مرات، يمكن لأجهزة WBG أن تتحمل الفولتية والمجالات الكهربائية الأكبر، حيث تتطلب الإلكترونات طاقة أكبر للانتقال من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. إن جهد الانهيار لأشباه الموصلات WBG أعلى بكثير، في حين أن المقاومة على الحالة صغيرة جدًا. وهذا يبسط التصميم ويحسن كفاءة دائرة الشحن. قيمة منخفضة R_{DS (على)} كما أنه يقلل من فقدان التبديل والطاقة، مما يقلل من حجم الدائرة.

هناك ميزة إضافية لأجهزة WBG وهي قدرتها على توليد درجات حرارة أقل من الأجهزة القائمة على السيليكون في ظل نفس ظروف التشغيل. في دائرة الطاقة، يمكن لجهاز SiC أن يتحمل درجات حرارة الوصلات التي تزيد عن 200 درجة مئوية، في حين يمكن لنظير السيليكون أن يصل إلى حوالي 150 درجة مئوية. وبالتالي فإن استخدام أجهزة WBG في شواحن السيارات الكهربائية يتيح سرعات تحويل أعلى وكفاءة أفضل في استخدام الطاقة، مما يؤدي بدوره إلى وحدات أكثر إحكاما وأسهل في التبريد.

يتم تثبيت OBCs في المصنع. في السيارة الكهربائية بالكامل أو السيارة الهجينة، يوفر OBC وسيلة لإعادة شحن البطارية من شبكة طاقة التيار المتردد بالمنزل أو منافذ محطة الشحن الخاصة أو العامة. يستخدم OBC محولات التيار المتردد/المستمر لتحويل جهد التيار المتردد 50/60 هرتز (100 إلى 240 فولت) إلى جهد تيار مستمر لشحن بطارية السيارة ذات الجهد العالي (عادةً حوالي 400 فولت تيار مستمر). كما أنه يضبط مستويات التيار المستمر حسب متطلبات البطارية، ويوفر عزلًا كلفانيًا ويتضمن تصحيح عامل الطاقة للتيار المتردد/المستمر.

في EV OBC النموذجي، غالبًا ما يتم استخدام الثنائيات SiC. تتطلب OBCs أعلى كفاءة وموثوقية ممكنة لضمان أوقات شحن سريعة ولكن يجب أيضًا أن تلبي متطلبات مساحة التطبيق والوزن الناتجة عن مواصفات التصميم. يمكن لتصميمات OBC التي تستخدم تقنية GaN تبسيط أنظمة التبريد وتقليل أوقات الشحن وفقدان الطاقة. تعد OBCs ثنائية الاتجاه تطورًا رئيسيًا في اعتماد المركبات الكهربائية ضمن البنى التحتية لشبكة الكهرباء الذكية المستدامة الحديثة في المستقبل. يسمح OBC ثنائي الاتجاه للمركبة الكهربائية بالعمل كخزان للطاقة أو كمصدر للطاقة لاستخدامات أخرى للمساعدة في إدارة الاختلافات في العرض والطلب والمساعدة في استقرار الأحمال داخل الشبكة. تتيح الأجهزة المستندة إلى GaN وSiC طبولوجيا متقدمة وثنائية الاتجاه ويمكنها تحسين تكوينات محول الطاقة.

على الرغم من أن أجهزة طاقة GaN تبدو متخلفة قليلاً عن SiC على المستوى التجاري، إلا أنها تكتسب حصة سوقية بسرعة بفضل أداء كفاءتها الاستثنائي. على غرار SiC، توفر GaN خسائر تحويل أقل وسرعات تحويل أعلى وكثافة طاقة أعلى وتسمح بتقليل الحجم الإجمالي للنظام، والذي يرتبط بكل من الوزن والتكلفة الإجمالية. في حين أن MOSFET السيليكون النموذجي لديه سرعة تحويل منخفضة، فإن أجهزة GaN تقوم بالتبديل بسرعات أعلى لتحقيق أقل خسارة ممكنة. واستنادًا إلى هذا المستوى من التشغيل، يمكن لتخطيط النظام أيضًا أن يقدم مساهمة مهمة في الأداء. قامت العديد من الشركات المصنعة بتطوير أجهزة SiC من فئة السيارات لتطبيقات OBC في المركبات الكهربائية والمركبات الهجينة لتقليل فقد الطاقة وتحقيق أداء كهربائي أفضل في ظل ظروف التحميل.

محولات الطاقة DC/DC

تعمل محولات DC/DC على تشغيل أحمال مختلفة في جميع أنحاء السيارة. عند تصميم محولات DC/DC لتطبيقات السيارات، يمكن لأجهزة GaN توفير الطاقة وتقليل حجم الدائرة ووزنها بشكل كبير مقارنةً بوحدات MOSFET السيليكونية الشائعة، مع تحقيق أداء وموثوقية أفضل للإدارة الحرارية. وفي مجال تطبيقات الجهد العالي والطاقة العالية، توفر هذه الأجهزة مزايا في عالم السيارات، مما يتيح وحدات أصغر حجمًا وأخف وزنًا تساهم في توفير المساحة وزيادة كفاءة الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لدوائر GaN المتكاملة التي تجمع بين ترانزستورات الطاقة 650/700 فولت مع التحكم الأمثل في البوابة أن تقدم حلاً يلبي احتياجات كفاءة الطاقة. يعمل انخفاض فقدان الطاقة عند السرعات العالية على تحسين النطاق لزيادة تردد التبديل في دوائر التحويل التي تعمل بترددات من 300 إلى 800 كيلو هرتز، مما يسمح باستخدام مكونات سلبية أصغر لزيادة كثافة الطاقة إلى الحد الأقصى ضمن حجم الوحدة المدمجة.

يوضح الشكل 3 وحدة نصف جسر بقدرة 8 متر مكعب تستخدم وحدة CoolSiC MOSFET الجديدة للسيارات بقوة 1200 فولت من شركة Infineon. مع التأهيل الكامل لفئة السيارات، تم توسيع نطاق تطبيق CoolSiC الآن ليشمل تطبيقات الجهد العالي ذات الكفاءة العالية ومتطلبات تردد التبديل، مثل محولات تصعيد HV/HV DC/DC، والعاكسات متعددة المراحل والمساعدات سريعة التبديل. محركات الأقراص مثل ضواغط خلايا الوقود.

لعبت تقنيات WBG SiC وGaN دورًا رائدًا في تمكين المركبات الكهربائية والبنية التحتية للشحن لتوفير نطاق قيادة ممتد وأوقات شحن أقصر. هناك حاجة إلى كلا التحسينات لإقناع المزيد من مشتري السيارات باختيار المركبات التي تعمل بالطاقة الكهربائية والتي يمكنها تلبية احتياجات الاستخدام النموذجية الخاصة بهم. من ناحية أخرى، يجلب السوق المتنامي ضغطًا أكبر على المستهلك، ويتطلب تقنيات EV متقدمة، بما في ذلك محولات OBCs وDC/DC لتحقيق كفاءة أكبر وكثافة طاقة وموثوقية مع فقد أقل للطاقة وبالتالي أداء كهربائي أفضل. ومن ناحية أخرى، فإنه يهتم باحتياجات العملاء. وبهذا المعنى، تقوم الشركات الرائدة في تصنيع إلكترونيات الطاقة بشكل دوري بإصدار عدة أجيال من الأجهزة، حيث يقدم الجيل التالي أداءً محسنًا مقارنة بالجيل السابق.

ستطلق السيارات الكهربائية المستقبلية إمكاناتها الكاملة وستلبي توقعات السوق المتنامية من خلال استخدام مزيج استراتيجي من أشباه الموصلات GaN وSiC، التي تم اختيارها وفقًا لنقاط قوتها في أدوار مختلفة داخل السيارة. في حين أنه من المرجح أن تظل SiC هي التقنية المفضلة عند الفولتية العالية، يمكن للمركبات الكهربائية الاستفادة من فوائد أجهزة GaN عند الفولتية المنخفضة لتحسين كثافة الطاقة وكفاءتها.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

التدوينة WBG Semiconductors تُحدث ثورة في تصميم السيارات (الجزء الثاني) ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.