تحقق GaN HEMTs تخفيضًا في التكلفة في تطبيقات تشغيل المحركات

ظهرت ترانزستورات نيتريد الغاليوم عالية الحركة للإلكترونات (HEMTs) كتقنية واعدة لتطبيقات محركات السيارات نظرًا لخصائصها الفريدة. في أنظمة تشغيل المحركات، يمكن لـ GaN HEMTs تعزيز الكفاءة وتقليل الخسائر وتمكين تصميمات ذات كثافة طاقة أعلى. من خلال التبديل بشكل أسرع وأكثر كفاءة، تسهل GaN HEMTs تشغيل المحرك بشكل أكثر سلاسة، مما يؤدي إلى تحسين الأداء العام للنظام.

هذه المقالة مبنية على محاضرة¹ تم تقديمه في حدث APEC 2024 الذي عقد في فبراير الماضي في فلوريدا، وهو يركز على التوفير الإجمالي في التكاليف الذي يجلبه استخدام GaN HEMTs إلى تصميمات محركات السيارات.

التحديات الرئيسية

في تطبيقات محرك السيارات، يمثل استخدام الدوائر المتكاملة للطاقة GaN وسيلة واعدة لتقليل تكاليف النظام الإجمالية. يستلزم هذا التحول تغييرات كبيرة، بما في ذلك التخلص من المبددات الحرارية، والتي يتم تسهيلها من خلال التكامل العالي وعمليات التجميع الآلية المبسطة. من خلال الاستفادة من الدوائر المتكاملة للطاقة GaN، لا يمكن تقليل التكاليف فحسب، بل يمكن أيضًا تحسين الكفاءة بشكل ملحوظ. ويترجم هذا إلى خفض نفقات الطاقة وتحسينات في تقييمات الأداء ووضع العلامات.

ومع ذلك، من الضروري الاعتراف بأنه على الرغم من أن الحلول القديمة التي تستخدم مفاتيح السيليكون راسخة في الصناعة وغالبًا ما يُنظر إليها على أنها أكثر قوة، فمن الجدير بالذكر أنه ليس كل تطبيق يستلزم السعي لتحقيق كثافة طاقة أعلى.

لقد أصبح الآن وجهة نظر واسعة النطاق بين الشركات المصنعة لأشباه الموصلات مفادها أن مكونات الطاقة المعتمدة على GaN لن تحل محل المكونات المعتمدة على السيليكون تمامًا ولكنها ستكون حلاً مكملاً لها. ولذلك، فإن الفهم الدقيق للمتطلبات والمقايضات المحددة أمر بالغ الأهمية في تحديد النهج الأمثل لكل تطبيق من تطبيقات محرك السيارات.

تم تلخيص التحديات والفوائد الرئيسية المستمدة من استخدام أجهزة طاقة GaN في تصميمات محركات السيارات في الشكل 1. يسرد العمود الأيسر الميزات الرئيسية التي يمكن تنفيذها باستخدام GaN. يوفر أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة (WBG) مزايا مثل حركة الإلكترون العالية وجهد الانهيار العالي والمقاومة المنخفضة مقارنة بالترانزستورات التقليدية القائمة على السيليكون. بالإضافة إلى ذلك، فإن حجم GaN HEMTs المنخفض وقدرتها على التشغيل عالي التردد يجعلها مناسبة لحلول محرك المحركات المدمجة وخفيفة الوزن، لا سيما في التطبيقات التي تكون فيها قيود المساحة والوزن أمرًا بالغ الأهمية.

يحدد العمود الأوسط كيف يمكن لكل ميزة أن تؤثر بشكل إيجابي على تصميم حل محرك السيارات، بينما يوضح العمود الأيمن الفائدة الحقيقية الناشئة عن تنفيذ هذه الميزة في تطبيقات العالم الحقيقي.

في الفقرات التالية، سنقوم بمقارنة الحل “القديم” المعتمد على أجهزة طاقة السيليكون مع حل WBG الذي يتميز بأجهزة طاقة GaN.

الحل “التراثي”.

الحل القائم على السيليكون الذي سننظر فيه هو لوحة التحكم في محرك الغسالة. تحقق اللوحة، الموضحة في الشكل 2، طاقة خرج قصوى تبلغ 600 واط، وتعمل بتردد تحويل قدره 8 كيلو هرتز. أجهزة الطاقة المختارة لهذا التصميم هي وحدات طاقة ذكية (IPMs) بثلاثة أنصاف جسور ومقومات للجسور. جميع هذه الأنواع من أجهزة الطاقة متصلة بمبدد حراري كبير (انظر الشكل 2)، مما يوفر التبريد المطلوب.

لاحظ أن اللوحة محاطة بعلبة بلاستيكية، على الرغم من أنها محمية من العوامل البيئية، إلا أنها محدودة بتقييد تدفق الهواء.

يوضح الشكل 3 الرسم التخطيطي لهذا المحلول والحجم الكبير للمبدد الحراري. تعتبر الطوبولوجيا المعتمدة واضحة تمامًا ولا توجد مرحلة نشطة لتصحيح عامل الطاقة. تشتمل الدائرة على مكثف وصلة DC (220 μF)، وخنق الوضع المشترك بقدرة 3 مللي أمبير بحجم كبير للحماية من ضوضاء تحويل IGBT، وخنق صغير للوضع التفاضلي مناسب لسرعة التبديل البطيئة نسبيًا.

كما هو موضح في الشكل 2 والشكل 3، فإن المبدد الحراري له حجم كبير (128 × 39 × 25 ملم، 89 جرامًا)، يغطي طول اللوحة. يتميز بتصميم معقد، ويوفر مقاومة حرارية للعلبة إلى البيئة المحيطة تبلغ حوالي 2.4 كيلو وات.

الحل القائم على GaN

على عكس الحل السابق، لا يحتوي هذا الحل على مبدد حرارة. ويتم التبريد بدلاً من ذلك من خلال المناطق النحاسية المدمجة في لوحة الدائرة المطبوعة (PCB)، والتي تعمل على تبديد الحرارة بكفاءة للحفاظ على درجات حرارة التشغيل المثالية.

على الرغم من وظائفه، يتميز الجهاز بتصميم بسيط مع عدد محدود من المكونات الخارجية، مما يساهم في شكله المدمج والأنيق. باستخدام الأجهزة المثبتة على السطح في الغالب، تعرض الوحدة تقنيات التصنيع المتقدمة والتركيز على كفاءة المساحة.

داخل إطاره المدمج، يحتوي الجهاز على مكونات مرحلة الطاقة الأساسية، بما في ذلك المقوم، ومكثف وصلة تيار مستمر بقدرة 82 ميكروفاراد لتوصيل طاقة مستقر، وثلاث دوائر متكاملة للطاقة من GaN تم تكوينها في تكوين نصف جسر لضمان تحويل الطاقة بكفاءة، ودقة دقيقة. مكون الاستشعار الحالي لرصد دقيق والتحكم في التيارات الكهربائية. يؤكد هذا التكوين المبسط على الأداء والموثوقية، مما يجعله مثاليًا لمختلف التطبيقات التي تكون فيها المساحة والكفاءة أمرًا بالغ الأهمية.

دوائر الطاقة GaN المستخدمة هي دوائر GaNSense نصف الجسر من Navitas Semiconductor (أرقام الأجزاء NV624xx وNV6269x). تتميز هذه الأجهزة بالتكامل الكامل لدائرة نصف الجسر، بما في ذلك التحكم والقيادة والطاقة والحماية، مع ناقل الحركة المدمج في المستوى والتمهيد. توفير حماية ESD تصل إلى 2 كيلو فولت، يمكن لـ IC دعم تردد تحويل يصل إلى 2 ميجا هرتز.

يوفر نصف الجسر جهدًا مستمرًا لمصدر الصرف يبلغ 650 فولت، وهو R النموذجي_{DS (على)} في حدود 70-275 متر مكعب وطاقة الخرج (اعتمادًا على تصميم الإدارة الحرارية) من 200 إلى 600 واط. يتم توفير منصات تبريد واسعة النطاق للمصدر العالي والمنخفض الجانب مدمجة في الجهاز لهذا الغرض.

يضمن الخيار المستند إلى GaNSense أداءً عاليًا ومستقرًا ومتسقًا، مما يسمح بتقليل هوامش التصميم. ويتم تسهيل ذلك من خلال تأخير الانتشار المنخفض، مما يعزز كفاءة حلقة التحكم. يتم التحكم في ظروف إدارة البوابة بعناية، مما يساهم في تحقيق الموثوقية المتميزة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن سرعة التبديل قابلة للتعديل لإدارة التداخل الكهرومغناطيسي. يتميز النظام بعدد مكونات منخفض بشكل كبير، مما يؤدي إلى حجم أصغر وتكاليف أقل، وبالتالي تمكين دمج المحركات في العاكسات.

يلغي استشعار التيار بدون فقدان الحاجة إلى مقاومات التحويل، مما يؤدي إلى تحسينات في التكلفة والحجم والموثوقية والأداء. علاوة على ذلك، يتميز النظام بحماية سريعة ودقيقة من التيار الزائد، مما يعزز المتانة الشاملة. ويتضمن وظيفة إيقاف التشغيل عند ارتفاع درجة الحرارة، مما يعزز مرونة النظام. على عكس الحل القائم على IPM، والذي يتمتع بزمن وصول نموذجي للإشارة يبلغ 1-2 ميكروثانية من خلال مرشح الضوضاء والمقارنة ومشغل البوابة، يمكن لـ GaNSense إيقاف تشغيل مفتاح الطاقة في أقل من 100 نانوثانية في حالة اكتشاف حالة تيار زائد.

توضح المقارنة بين الحلول القائمة على GaN والحلول القائمة على السيليكون أن الحل الأول يقلل بشكل كبير من إجمالي الخسائر في ظروف التشغيل المختلفة. علاوة على ذلك، لتنفيذ GaN، تكون المقاومة الحرارية الأعلى البالغة 12 كيلو واط كافية.

يجب على المصمم اتخاذ بعض الاحتياطات الصغيرة عند تحديد تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور (انظر الشكل 4) للاستفادة من الوسادات الحرارية التي يوفرها المكون، وبالتالي التخلص من الحاجة إلى مبدد حرارة خارجي. المبادئ التوجيهية الرئيسية هي التالية (يمكن العثور على مزيد من المعلومات في ورقة بيانات المكون):

• وضع العديد من فيا
• استخدام آثار كبيرة ومنخفضة الحث
• توفير وصلات واسعة للتحويلات
• لتحسين التبريد، استخدم كلا جانبي PCB
• تجنب وضع المكونات على الجانب السفلي من PCB
• ضع المكونات عالية الجانب بالقرب من عقدة الإخراج

مرجع

¹Hesener, A. “تقليل تكلفة النظام باستخدام GaN HEMTs في تطبيقات محرك السيارات” Navitas Semiconductor، مؤتمر إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC) 2024.

التدوينة GaN HEMTs تحقق تخفيضًا في التكلفة في تطبيقات محرك السيارات ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.