محولات الجر الغاليوم عالية الطاقة لمحركات BEV

تعرض شركة VisIC Technologies Ltd. عاكس سحب فعال ثلاثي المراحل يعتمد على نيتريد الغاليوم مع محرك PMSM من فئة السيارات. اختبرت VisIC بنجاح وحدة الطاقة نصف الجسر 2.2 مترًا × 650-V ، والتي تتكون من أربعة وحدات FET متوازية بقوة 8 متر مكعب ، في تكوين ثلاثي الطور باستخدام محرك PMSM على منضدة اختبار ديناميكية في مصنع رئيسي للسيارات. وفقًا لـ VisIC ، تم تنفيذ اختبار دورة القيادة المتوافق عالميًا لاختبار المركبات الخفيفة (WLTP) وحقق كفاءة مماثلة مع الوحدات التجارية القائمة على كربيد السيليكون ، على الرغم من استخدام نماذج أولية غير محسّنة في وقت مبكر. سوف تشارك VisIC Technologies في APEC 2023 (كشك رقم 547) وتقدم جلسة عامة وجلسة صناعية

هذا يدل على أن VisIC’s D³تعد تقنية أشباه الموصلات GaN (وضع استنفاد محرك الأقراص المباشر GaN) مناسبة حتى لتطبيقات السيارات عالية الطاقة الأكثر تطلبًا. تم التعامل مع الموازاة والتذبذبات الناتجة عن عابرات التبديل السريع.

في مقابلة مع Power Electronics News ، أشارت إليا بونين ، مديرة المنتجات والمبيعات الفنية في VisIC ، إلى كيفية قيام D³تستخدم تقنية GaN القوة بشكل طبيعي في أجهزة GaN في وضع الاستنفاد (الوضع d) ذات الجهد المنخفض المنخفض RD_ابن) السيليكون FET لإنشاء طوبولوجيا بشكل طبيعي. على النقيض من طوبولوجيا الكود التقليدي ، يتم التحكم في قالب GaN مباشرة بواسطة سائق البوابة ، بينما يظل السيليكون FET في حالة “تشغيل” أثناء تشغيل النظام بالكامل.

وفقًا لبونين ، توفر التكنولوجيا المزايا التالية:

• يعزى الحد من خسائر التبديل والاسترداد العكسي إلى Si FET
• يسمح لأدنى مستوى R_{DS (تشغيل)} ممكن لـ Si FET لتقليل فقد التوصيل دون التأثير على أداء التحويل
• يسمح التحكم المباشر في بوابة GaN بتعديل معدل الدوران القياسي باستخدام مقاومات البوابة
• سهولة الموازاة مقارنة بالطبولوجيا غير المتتالية
• عدم دمج المحرك والقوالب المصنوعة من مادة GaN تسمح بالتوازي مع محرك خارجي للتطبيقات عالية الطاقة مثل محولات المحرك
• مرتفع جدا V_ذ يعزى إلى الوضع D السلبي V._ذ و جهد القيادة 15 فولت

التنقل الإلكتروني

يتم التخلص التدريجي من محرك الاحتراق الداخلي من صناعة السيارات لصالح مستقبل كهربائي بالكامل. ستعمل المواد ذات فجوة النطاق العريضة (WBG) على تسهيل بيئة السيارة الكهربائية بالكامل نتيجة للتحول الذي نشهده. تم تحقيق الأداء النظري للـ MOSFET من السيليكون ، ويتعين على قطاع إلكترونيات الطاقة التحول إلى مادة جديدة. لقد أظهر GaN أنه أصل هائل في معالجة التطبيقات الجديدة.

العناصر الرئيسية للمركبات الكهربائية هي المحركات الكهربائية والبطارية وجميع أنظمة توليد القوة التي تتحكم في نقل التيار. تؤثر كفاءة العاكس على طول عمر شحن البطارية لأنه يقود المحرك. تقدم VisIC د³تستخدم منتجات GaN في إنشاء محولات فعالة إما كمنتجات منفصلة أو مدمجة في حزم الوحدات النمطية.

GaN للمركبات الكهربائية

فجوة نطاق الجاليوم هي 3.4 فولت ، أكبر بكثير من السليكون (1.2 فولت). تنتج سرعات التحويل العالية عن التشتت الأسرع للشحنات الكهربائية التي تتراكم عادةً على التقاطعات بسبب زيادة حركة إلكترونات الجاليوم. علاوة على ذلك ، فإن فجوة الحزمة الأكبر تتيح العمل في درجات حرارة أعلى. ترتفع الطاقة الحرارية للإلكترونات في نطاق التكافؤ مع ارتفاع درجة الحرارة حتى تدخل منطقة التوصيل بمجرد الوصول إلى عتبة درجة حرارة معينة. يبلغ حاجز درجة الحرارة هذا حوالي 150 درجة مئوية للسيليكون وحتى أكثر من 400 درجة مئوية بالنسبة إلى GaN. تشير فجوة الحزمة العريضة إلى وجود جهد انهيار أعلى أيضًا.

زاد قطاع السيارات من الطلب على موثوقية أشباه الموصلات وكثافة الطاقة. في حين أن التكلفة هي المحرك الأساسي لمعظم الأسواق ، فهي أيضًا عامل مهم في صناعة السيارات. قال بونين: “بالنسبة لمحولات المحرك ، تتطلب طاقة الذروة العالية تصميم وحدات طاقة ذات مقاومة حرارية منخفضة للغاية مع الحفاظ على الخسائر في الجهد العالي والتيار إلى أدنى حد ممكن”. “تصمم VisIC وحدات لتمكين الأحجام الصغيرة والتكامل المحكم مع نظام التبريد.”

تعد أجهزة GaN عالية الجهد / الطاقة من أحدث الوافدين إلى السوق مقابل SiC. “من خلال اختيار استخدام التقنيات الأكثر موثوقية مثل الوضع d مع هيكل البوابة غير المنفتح والتنفيذ البسيط في وحدات الطاقة وتقليل بصمة الكربون في التصنيع مقابل SiC ، ستوفر VisIC حلاً منخفض التكلفة مع ميزة أداء لسوق السيارات ، قال بونين.

وضع الاستنفاد ووضع التحسين (الوضع الإلكتروني) هما تقنيتان متميزتان لترانزستور GaN. يشبه سلوك MOSFET الوضع الإلكتروني سلوك MOSFET التقليدي ولا يتطلب أي مكونات إضافية ليتم إيقاف تشغيلها بشكل طبيعي. يمكن تنشيط ترانزستور الوضع الإلكتروني من خلال تطبيق جهد إيجابي على البوابة. عادةً ما يتطلب ترانزستور الغاليوم ذو الوضع d جهدًا سالبًا. من خلال توصيل MOSFET السيليكون منخفض الجهد بالتسلسل مع HEMT ، يمكنك حل هذه المشكلة. نظرًا لهامش أمان محرك البوابة الأفضل والحصانة العالية ضد ضوضاء محرك البوابة ، كانت VisIC من أوائل المتبنين والمدافعين عن تقنية الوضع d للسماح بحالات استخدام السيارات عالية الطاقة. السمة الحاسمة للعاكسات ، الموازاة السريعة والمباشرة ، أصبحت ممكنة أيضًا بواسطة VisIC’s D³تقنية GaN.

وفقًا لبونين ، من المتوقع أن تحصل على المزايا التالية من استخدام D³تقنية GaN في تطبيقات السيارات عالية الطاقة ، مقارنةً بتقنيات أشباه الموصلات التقليدية: تقليل خسائر التبديل / التشغيل عند ترددات تحويل أعلى وتحسين الكفاءة في القيادة في المدينة / ظروف التحميل الجزئي.

“على غرار أجهزة WBG الأخرى سريعة التبديل ، من الضروري الحفاظ على انتشار المعلمات الهامة مثل R._{DS (تشغيل)} و V._ذ منخفضة بما فيه الكفاية “، قال. “بالإضافة إلى ذلك ، كما حدث في وحدات الطاقة الخاصة بنا ، يتم استثمار الكثير من الجهد في تحسين التخطيط لإنشاء مسارات متناظرة لكل جهاز GaN. يُقترح أيضًا فصل بوابات أجهزة GaN المتوازية مع المقاومات ، وفي بعض الحالات ، حبات الفريت لمعالجة تذبذبات البوابة الناتجة عن الشحن الحالي العابر وتفريغ سعات البوابة أثناء العمليات. VisIC’s GaN high V_ذ والمحرك الخارجي يسمحان بتنفيذ الحلول القياسية الموصوفة أعلاه للعمل مع الأجهزة المتوازية بمعدلات عالية بشكل موثوق. “

وفقًا لبونين ، فإن اختبار الوحدة النمطية VM022 في نظام عاكس ثلاثي الأطوار مع داينو سمح لـ VisIC باختبار موازاة GaN والتشغيل في ظروف العاكس عند 400 ذراع.

“هذه هي بداية المزيد من الاختبارات المتعمقة لوحدة الطاقة GaN الخاصة بـ VisIC Technologies في تطبيقات العاكس للمحرك EV والتي ستساعد في تقدم جميع موضوعات النظام: محرك البوابة لوحدات الطاقة وتحسينها لتوازي الوحدة ؛ الأداء الحراري وخيارات التعلق وتأثيرها على الموثوقية ؛ تأثير تبديل التردد ومعدلات الدوران على الكفاءة في ظروف القيادة المختلفة ؛ وتحسينات في الطاقة وحلقة البوابة “، قال بونين.

سيكون النموذج الأولي لنظام العاكس ثلاثي الطور من VisIC جاهزًا للاختبار في مواقع عملاء إضافية بحلول نهاية الربع الثاني من عام 2023.

Maurizio Di Paolo Emilio حاصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء ومهندس اتصالات. عمل في العديد من المشاريع الدولية في مجال أبحاث موجات الجاذبية ، وتصميم نظام التعويض الحراري (TCS) وأنظمة الحصول على البيانات والتحكم فيها ، وفي مشاريع أخرى حول الحزم الميكروية للأشعة السينية بالتعاون مع جامعة كولومبيا ، وأنظمة الجهد العالي وتقنيات الفضاء. للاتصالات والتحكم في المحركات مع ESA / INFN. تم تطبيق TCS على تجربتي Virgo و LIGO ، والتي اكتشفت موجات الجاذبية لأول مرة وحصلت على جائزة نوبل في عام 2017. منذ عام 2007 ، كان مراجعًا للمنشورات العلمية للأكاديميين مثل مجلة Microelectronics Journal ومجلات IEEE. علاوة على ذلك ، فقد تعاون مع شركات صناعة إلكترونية مختلفة والعديد من المدونات والمجلات الإيطالية والإنجليزية ، مثل Electronics World و Elektor و Mouser و Automazione Industriale و Electronic Design و All About Circuits و Fare Elettronica و Elettronica Oggi و PCB Magazine ، كاتب / محرر تقني متخصص في عدة مواضيع في الإلكترونيات والتكنولوجيا. من عام 2015 إلى عام 2018 ، كان رئيس تحرير Firmware و Elettronica Open Source ، وهما مدونات ومجلات تقنية لصناعة الإلكترونيات. شارك في العديد من المؤتمرات كمتحدث في الكلمات الأساسية لموضوعات مختلفة مثل الأشعة السينية وتقنيات الفضاء وإمدادات الطاقة. يستمتع موريزيو بكتابة وإخبار القصص حول إلكترونيات الطاقة وأشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة والسيارات وإنترنت الأشياء والمدمجة والطاقة والحوسبة الكمومية. ماوريتسيو هو محرر محتوى في AspenCore منذ عام 2019. وهو حاليًا رئيس تحرير Power Electronics News و EEWeb ومراسلًا لـ EE Times. وهو مضيف برنامج PowerUP ، وهو بودكاست حول إلكترونيات الطاقة ، ومروج ومنظم مؤتمر PowerUP الافتراضي ، وهو قمة يتحدث فيها المتحدثون الرائعون كل عام عن اتجاهات تصميم إلكترونيات الطاقة. علاوة على ذلك ، فقد ساهم في عدد من المقالات التقنية والعلمية بالإضافة إلى عدد من كتب Springer حول حصاد الطاقة وأنظمة الحصول على البيانات والتحكم فيها.