كيف يمكن لـ SiC تمكين الجيل التالي من قواطع دوائر الحالة الصلبة
إن فوائد الأداء التي توفرها أجهزة كربيد السيليكون للسيارات الكهربائية وتطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية معروفة جيدًا. ومع ذلك، يمكن استغلال المزايا المادية لـ SiC في تطبيقات أخرى، وقد تم اقتراح حماية الدوائر كأحد هذه المجالات. تستعرض هذه المقالة التطورات في هذا المجال، بما في ذلك مزايا الحماية الميكانيكية مقابل قواطع الدائرة ذات الحالة الصلبة (SSCBs) التي يتم تنفيذها باستخدام أجهزة أشباه الموصلات المختلفة. سنناقش أيضًا سبب تحول SiC إلى خيار جذاب بشكل متزايد لـ SSCBs.
حماية البنية التحتية والمعدات الكهربائية
تتطلب أنظمة النقل والتوزيع الكهربائية والمعدات الحساسة الحماية ضد الحمل الزائد الممتد وظروف الدائرة القصيرة العابرة. مع استخدام الأنظمة الكهربائية والمركبات الكهربائية لجهد كهربائي أعلى بشكل متزايد، أصبح الحد الأقصى لتيارات الأعطال المحتملة أعلى من أي وقت مضى. تتطلب الحماية ضد أعطال التيار العالي هذه قواطع دوائر تيار متردد ومستمر فائقة السرعة. في حين أن قواطع الدائرة الميكانيكية كانت تقليديًا الخيار الأكثر شيوعًا لهذا التطبيق، إلا أن متطلبات التشغيل المتزايدة الطلب جعلت SSCBs أكثر شيوعًا. لديهم العديد من المزايا على الأساليب الميكانيكية:
- المتانة والموثوقية: تحتوي قواطع الدائرة الميكانيكية على أجزاء متحركة، مما يجعلها هشة. وهذا يعني أنها يمكن أن تنكسر بسهولة أو تتعثر عن طريق الخطأ بسبب الحركة وتكون عرضة للتآكل في كل مرة يتم إعادة ضبطها على مدار عمرها الافتراضي. في المقابل، نظرًا لأن SSCB لا تحتوي على أجزاء متحركة، فهي أكثر قوة وأقل عرضة للتعرض للأضرار العرضية، مما يتيح استخدامها بشكل متكرر على مدى آلاف الدورات.
- المرونة في درجات الحرارة: تعتمد درجة حرارة تشغيل القواطع الميكانيكية على المادة المستخدمة في بنائها وتحد من درجة حرارة التشغيل. درجة حرارة تشغيل SSCB أعلى من درجة حرارة القواطع الميكانيكية وهي قابلة للضبط.
- التكوين عن بعد: بمجرد التعثر، يجب على الشخص إعادة ضبط الكسارة الميكانيكية يدويًا، الأمر الذي قد يستغرق وقتًا طويلاً ومكلفًا، خاصة عند توسيع نطاقه عبر منشآت متعددة، وقد يكون له أيضًا آثار تتعلق بالسلامة. يمكن إعادة ضبط SSCBs عن بعد باستخدام اتصال سلكي أو لاسلكي.
- تبديل أسرع وبدون أقواس: عند تبديل الكسارة الميكانيكية، يمكن أن تحدث تقلبات قوسية وجهد كبيرة بما يكفي لإتلاف معدات التحميل. يمكن حماية تأثيرات ارتفاعات الجهد الحثية وتيارات التدفق السعوية من استخدام طرق البدء الناعم في SSCBs، مع تبديل أسرع بكثير، في حدود بضع ميكروثانية، في حالة حدوث خطأ.
- التصنيف الحالي المرن: تتمتع قواطع الدائرة الميكانيكية بتصنيف تيار ثابت، في حين أن التصنيفات الحالية قابلة للبرمجة لـ SSCBs.
- انخفاض الحجم والتكلفة: بالمقارنة مع الكسارات الميكانيكية، فإن SSCBs تقلل الوزن، وهي أخف وزنًا بشكل ملحوظ وتستهلك مساحة أقل.
القيود المفروضة على SSCBs القائمة
في حين أن SSCBs لها مزايا مقارنة بالقواطع الميكانيكية، إلا أن لديها بعض العيوب، بما في ذلك تقديرات الجهد/التيار المحدودة، وفقدان التوصيل الأعلى، وزيادة التكلفة. تعتمد SSCBs عادةً على TRIACs (مقومات يتم التحكم فيها بالسيليكون) لتطبيقات التيار المتردد أو MOSFETs المستوية القياسية لأنظمة التيار المستمر. تقوم TRIACs أو MOSFETs بتنفيذ وظيفة التبديل، بينما تعمل المحركات المعزولة بصريًا كعنصر تحكم. ومع ذلك، تتطلب لوحات SSCB القائمة على MOSFET ذات التيار العالي مبددات حرارة عند تيارات خرج عالية، مما يعني أنها لا تستطيع تحقيق نفس مستويات كثافة الطاقة مثل قواطع الدائرة الميكانيكية.
وبالمثل، تكون المبددات الحرارية مطلوبة أيضًا لوحدات SSCB التي يتم تنفيذها باستخدام الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTs)، حيث يتسبب جهد التشبع في فقدان مفرط للطاقة للتيارات التي تتجاوز بضع عشرات من الأمبيرات. على سبيل المثال، عند 500 أمبير، فإن انخفاض الجهد بمقدار 2 فولت عبر IGBT من شأنه أن يبدد 1000 واط. بالنسبة لهذا القدر من الطاقة، سيتطلب MOSFET مقاومة تشغيل تبلغ حوالي 4 مللي أوم. لا يمكن تحقيق مستوى المقاومة هذا حاليًا باستخدام الأجهزة الفردية ذات معدلات الجهد الكهربي التي تتجه الآن إلى 800 فولت (وما بعدها) في المركبات الكهربائية. في حين أن هذا الرقم يمكن تحقيقه نظريًا عن طريق توصيل الأجهزة بالتوازي، فإن مثل هذا النهج من شأنه أن يزيد بشكل كبير من حجم الحل وتكلفته، بل وأكثر من ذلك حيث يجب استيعاب تدفق التيار ثنائي الاتجاه.
استخدام وحدات الطاقة SiC لتحقيق الجيل التالي من SSCBs
يمكن أن يكون قالب SiC أصغر بما يصل إلى 10× من مكافئ السيليكون لنفس الجهد المقنن والمقاومة. علاوة على ذلك، يمكن لأجهزة SiC التبديل بشكل أسرع بما لا يقل عن 100 مرة والعمل في درجات حرارة الذروة أكثر من ضعف درجة حرارة السيليكون. وفي الوقت نفسه، فإن موصليته الحرارية الفائقة تجعله أكثر قوة عند مستويات الطاقة العالية. لقد استغلت Onsemi هذه الخصائص في مجموعتها من وحدات الطاقة EliteSiC ذات قيم مقاومة منخفضة تصل إلى 1.7 متر أوم للأجهزة التي تعمل بجهد 1200 فولت. تتكامل هذه الوحدات بين اثنين وستة من وحدات MOSFET من SiC في حزمة واحدة.
توفر تقنية القالب الملبد (التي تضم قالبين فرديين داخل العبوة) أداءً موثوقًا للمنتج حتى عند مستويات الطاقة العالية. يسمح سلوك التبديل السريع لهذا الجهاز والتوصيل الحراري العالي له “برحلة” (الدائرة المفتوحة) بسرعة وأمان في حالة حدوث خطأ، مما يمنع التيار من التدفق حتى يتم استعادة ظروف التشغيل العادية. تُظهر وحدات مثل هذه كيف أنه من الممكن بشكل متزايد دمج أجهزة SiC MOSFET المتعددة في حزمة واحدة لتقديم قيم المقاومة المنخفضة وعوامل الشكل الصغيرة المطلوبة لتطبيقات قواطع الدائرة العملية. علاوة على ذلك، تقدم onsemi وحدات MOSFET ووحدات الطاقة EliteSiC، التي تتحمل جهدًا يتراوح من 650 فولت إلى 1700 فولت، مما يعني أنه يمكن أيضًا تكييفها مع وحدات SSCB في التطبيقات المحلية والتجارية والصناعية أحادية وثلاثية الطور. توفر سلسلة توريد SiC المتكاملة رأسيًا من Onsemi منتجات خالية من العيوب تقريبًا، والتي تخضع لاختبار موثوقية شامل من قبل الشركات المصنعة لـ SSCB.
يوضح الشكل 2 تنفيذ SSCB في وحدة تحتوي على قوالب متعددة من SiC بجهد 1200 فولت مع مفاتيح متعددة متوازية في تكوين متتالي لتحقيق أدنى مقاومة وتبديد حراري محسّن. ستساعد الوحدات المتكاملة بالكامل (الشكل 3) مع موضع الدبوس والتخطيط الأمثل على تقليل الطفيليات وتحسين أداء التبديل وأوقات الاستجابة للخطأ. تقدم Onsemi مجموعة واسعة من وحدات SiC بقدرة 650 فولت و1200 فولت و1700 فولت مُصنفة بوحدات مع أو بدون لوحة أساسية، بناءً على متطلبات التطبيق النهائي واحتياجات الكفاءة.
سوف يتطور SiC وSSCBs معًا
تتميز قواطع الدائرة الميكانيكية بفقدان منخفض للطاقة وكثافة طاقة أعلى وهي حاليًا أقل تكلفة من SSCBs. ومع ذلك، فهي عرضة للتآكل نتيجة الاستخدام المتكرر وتتطلب صيانة يدوية مكلفة مرتبطة بإعادة الضبط أو الاستبدال. سيستمر الطلب على قواطع الدوائر الكهربائية وأجهزة SiC في النمو بما يتماشى مع زيادة اعتماد المركبات الكهربائية، مما يجعل هذه التقنية ذات فجوة النطاق الواسعة أكثر تنافسية من حيث التكلفة ويزيد من جاذبيتها للاستخدام في حلول SSCB. مع تقدم تكنولوجيا معالجة SiC وانخفاض مقاومة دوائر SiC MOSFET المستقلة بشكل أكبر، لتصل في النهاية إلى مستويات مماثلة لقواطع الدائرة الميكانيكية، سيصبح فقدان الطاقة مشكلة أقل. من خلال توفير فوائد التبديل السريع، وعدم وجود انحناءات كهربائية وتوفير كبير في التكاليف من خلال عدم إجراء أي صيانة، فإن SSCBs التي تم إنشاؤها من الأجهزة القائمة على SiC ستصبح حتمًا هي القاعدة.
تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
